高性能微波光子链路研究

论文摘要

随着信息技术对高容量的要求和光纤技术、光电子器件以及微波毫米波集成电路技术的发展,形成了一门新兴学科——微波光子学。微波光子学是利用光学方法实现微波信号处理的一门学科。由于光子技术具有带宽大、并行处理能力强、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点,因此,微波信号的光处理有望解决现有微波系统处理带宽小、速度慢、处理能力弱等瓶颈问题。微波光子技术包括微波信号产生、传输、滤波、延时等许多方面,在通信、雷达等领域具有广泛的应用前景。作为光处理的核心,微波光子链路可以实现微波与光波的相互转换以及传输等处理功能。因此,实现低噪声、大动态的微波光子链路是非常重要的研究内容。本文主要研究传输模拟信号的微波光链路,分析影响链路性能的各种因素,提出高性能的微波光链路系统。首先,论文对最基本的IMDD(强度调制直接探测)链路进行建模,得到了直接调制和外调制链路的增益、噪声系数以及动态范围的数学模型,并且理论和仿真分析了激光器的相对强度噪声、光纤损耗、光电及电光转换效率以及信号的频率等对微波光子链路的影响。在此基础上,对微波光子链路进行了实验验证,实验结果与理论分析基本一致。其次,论文对基本光链路进行了优化,在前面分析的基础上,改进了探测方法,引入了相干平衡探测来提高链路的灵敏度,降低激光器产生的相对强度噪声(RIN)。建立了采用平衡探测外调制链路的等效噪声模型,推导出该链路的增益与噪声系数数学模型,通过计算证明平衡探测能将链路的噪声系数降低9.7dB。为了提高链路的动态范围和调制效率,还引进了抑制光载波的单边带调制技术,仿真分析了抑制光载波单边带调制链路对链路性能的影响,结果表明采用抑制光载波的单边带调制后,链路的光载波功率能被抑制了34.6 dB,其中一个边带被抑制了47.5 dB,链路的动态范围会提高约20 dB。最后,论文将平衡探测技术与抑制光载波单边带调制技术结合,形成一种新的链路结构。对该结构的微波光子链路进行仿真,结果显示,新结构的微波光子链路与单一探测的载波抑制链路相比,噪声系数下降15.3 dB,与平衡探测的普通外调制链路相比,噪声系数下降5.6 dB。这说明经过优化,链路的性能被提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 微波光链路的国内外发展动态
• 1.3 本文所做的工作及内容安排
• 第二章 微波光链路的性能分析
• 2.1 微波光子链路的性能参数
• 2.2 直接调制微波光子链路
• 2.2.1 增益建模
• 2.2.2 噪声系数建模与仿真
• 2.2.3 直调链路的频响分析
• 2.3 外调制微波光子链路
• 2.3.1 M-Z 调制器的工作原理
• 2.3.2 调制器的动态范围分析
• 2.3.3 外调制链路的增益分析
• 2.3.4 外调制链路的噪声系数分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 微波光子链路系统的优化
• 3.1 探测方法的改进
• 3.1.1 相干探测的基本原理
• 3.1.2 平衡探测原理
• 3.1.3 光耦合器工作原理
• 3.1.4 外调制平衡探测系统
• 3.1.5 外调制平衡探测系统增益与噪声系数模型
• 3.1.6 理论计算与仿真分析
• 3.2 光载波抑制链路
• 3.2.1 光载波抑制技术原理
• 3.2.2 光载波抑制链路系统仿真
• 3.3 抑制光载波单边带调制链路
• 3.3.1 单边带调制技术
• 3.3.2 抑制光载波的单边带调制链路建模
• 3.3.3 抑制光载波单边带调制链路系统仿真
• 3.4 结合平衡探测的光载波抑制链路
• 3.4.1 平衡探测光载波抑制链路系统分析
• 3.4.2 优化的光载波抑制单边带调制链路系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 微波光子链路的实验研究
• 4.1 直调链路实验
• 4.1.1 直调链路线性动态范围的测量
• 4.1.2 直调链路无寄生动态范围的测量
• 4.1.3 直调链路噪声系数的测量
• 4.2 直调链路中增加EDFA 实验研究
• 4.2.1 带有EDFA 链路动态范围研究
• 4.2.2 带有EDFA 链路噪声系数研究
• 4.3 外调链路实验
• 4.3.1 外调链路噪声系数的测量
• 4.3.2 外调链路动态范围的测量
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果