基于MZ集成调制器无光滤波产生高质量毫米波信号的研究

论文摘要

由于结合了光纤通信高带宽、低损耗、抗电磁干扰和无线通信可移动、灵活接入的优点,ROF技术被认为是未来工作在毫米波段的宽带无线接入网的一种良好解决方案。近十几年来,ROF技术一直是国内外学者的热点研究课题。在ROF系统中,以合理的成本产生高质量的毫米波信号是一项关键技术。与传统的电学方法相比,光学方法是一种更好的选择。目前,人们提出的产生毫米波信号的光学方法主要有三种,光外差、频率上变换、外调制器的非线性调制。三种方法中,基于外调制器的非线性调制的方法对应的系统结构更为简单,成本更低,且可以产生高纯度、低相位噪声的毫米波信号。在该方法中,为了进一步降低系统的复杂度和成本,尤其是WDM-ROF系统,基于MZ调制器的非线性调制实现无光滤波高质量毫米波信号的产生是一种理想的方案。此外,色散是影响ROF系统传输性能的重要因素。一方面,色散致走离效应会导致码间干扰。另一方面,它会导致产生的毫米波信号的功率随传输距离呈周期性衰落。MZ集成调制器是由两个或两个以上的MZ子调制器构成的。与单个MZ调制器相比,通过设置MZ集成调制器的相关参数,可以在无光滤波的情况下实现高倍频因子的高质量毫米波信号的产生。为了更好的利用MZ集成调制器实现无光滤波的高质量毫米波信号产生,深入理解MZ集成调制器的调制特性非常重要。通过详细推导双电极MZ调制器主要调制技术的实现原理和简要介绍两种MZ集成调制器的结构和调制特性,为基于MZ集成调制器无光滤波产生高质量毫米波信号奠定了良好的理论基础。基于MZ调制器的非线性调制特性,利用MZ集成调制器,结合理论分析,本文提出了无光滤波的一种四倍频、两种六倍频和一种八倍频共四种产生高质量毫米波信号的新方案,并对所提方案进行了仿真和实验验证。同时,利用解析方法和数值仿真,对MZ调制器的偏置漂移、调制深度或调制电压、MZ子调制器间驱动信号的非理想相位差、MZ子调制器或MZ集成调制器的非理想消光比等关键因素对产生的光毫米波和毫米波信号质量的影响进行了深入分析,对产生的光毫米波信号的传输性能进行了一定的研究,对相应方案中的不同情况下光毫米波或毫米波信号质量进行了比较,并对已有的基于级联MZ集成调制器产生八倍频毫米波信号的方案进行了进一步研究。另外,利用解析方法对光纤光栅中的调制不稳定性的特性进行了深入分析和讨论。本文的主要研究工作和创新点如下：1)、提出了一种基于由两个MZ子调制器构成的MZ集成调制器无光滤波产生四倍频信号的新方案,并定义了衡量产生的光毫米波信号和毫米波信号质量的两个参量：光学边带抑制比—OSSR和射频杂散抑制比—RFSSR。仿真结果表明,在MZ子调制器消光比为30dB且无任何光滤波器和电滤波器的情况下,可以产生高质量的光毫米波信号和四倍频毫米波信号。基于推导得到的解析表达式,对影响产生光毫米波信号质量即OSSR的因素：偏置漂移、MZ子调制器的非理想消光比、MZ子调制器的调制深度进行了分析和讨论。实验中,我们得到的高质量的光毫米波信号和毫米波信号：OSSR超过了35dB,背靠背和经过40km光纤传输后对应的RFSRR分别为30.0dB和24.6dB。与背靠背情况下相比,经过40km光纤传输后,产生的四倍频毫米波信号的线宽未出现明显变化。2)、首次提出了一种基于由两个MZ子调制器构成的MZ集成调制器无光滤波产生六倍频信号的方案。仿真结果表明,在MZ子调制器的消光比为30dB且无任何光滤波器和电滤波器的情况下,可以产生高质量的光毫米波和毫米波信号。利用VPI仿真软件,深入分析和讨论了MZ集成调制器的非理想驱动电压、MZ子调制器间射频驱动信号的非理想相位差对OSSR和RFSSR的影响,并对产生的光毫米波信号的在光纤中的传输性能进行了研究。同时,对该方案中的两种情况对应的系统传输性能进行了比较。实验中,我们得到的高质量的光毫米波信号和毫米波信号：OSSR高于29dB,背靠背和经过40km传输后对应的RFSSR都超过了19dB。与背靠背情况下相比,经过40km光纤传输后,产生的六倍频毫米波信号的线宽未出现明显变化。3)、提出了一种基于由三个MZ子调制器构成的MZ集成调制器无光滤波产生六倍频信号的新方案。仿真结果表明,在MZ子调制器的消光比为30dB且无任何光滤波器和电滤波器的情况下,可以产生高质量的光毫米波和毫米波信号。基于推导得到的解析结果,深入研究了MZ集成调制器的非理想消光比和两MZ子调制器间驱动信号的非理想相位差对OSSR的影响,并对方案中两种情况下的OSSR进行了比较。实验中,我们得到的高质量的光毫米波信号和毫米波信号：OSSR约为31.0dB,背靠背和经过40km传输后对应的RFSSR都超过了20dB；与背靠背情况下相比,经过40km光纤传输后,产生的六倍频毫米波信号的线宽未出现明显变化。4)、提出了一种基于两个由两个MZ子调制器构成的MZ集成调制器级联产生八倍频毫米波信号的新方案。仿真结果表明,在MZ子调制器具有非理想消光且无任何光滤波器和电滤波器的情况下,该方案可以产生高质量的光毫米波信号和高纯度的毫米波信号。同时,对该方案中两种情况下的OSSR与RFSSR进行了比较。5)、首次利用解析方法对光纤光栅中的调制不稳定性进行了研究。对决定光纤光栅中调制不稳定性特性的色散方程进行了解析求解,在此基础上,深入分析和讨论了光纤光栅中调制不稳定性的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ROF技术的特点及关键问题
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文创新点和结构安排
• 参考文献
• 第二章 ROF系统的关键技术简介
• 2.1 ROF的分类及应用
• 2.1.1 ROF系统的分类
• 2.1.2 ROF技术的主要应用
• 2.2 ROF系统毫米波信号产生的关建技术
• 2.2.1 光外差
• 2.2.2 频率上变换
• 2.2.3 光外调制器的非线性调制
• 2.3 色散对ROF系统传输性能的影响及抑制技术
• 2.3.1 色散致射频信号功率的周期性衰落效应
• 2.3.2 色散致射频信号的功率衰落效应的抑制技术
• 2.3.3 色散致光毫米波信号的码间干扰及抑制技术
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于单个MZ集成调制器无光滤波产生高质量毫米波信号的研究
• 3.1 MZ调制器的非线性调制
• 3.1.1 相位调制器
• 3.1.2 MZ调制器
• 3.2 基于MZ调制器产生四倍频毫米波信号的研究
• 3.2.1 已有的四倍频方案介绍
• 3.2.2 基于单个集成调制器高质量四倍频毫米波信号产生的研究
• 3.3 基于MZ调制器产生六倍频毫米波信号的研究
• 3.3.1 已有的六倍频方案介绍
• 3.3.2 基于MZ集成调制器无光滤波产生六倍频高质量光毫米波信号的方案1
• 3.3.3 基于MZ集成调制器无光滤波产生高质量六倍频毫米波信号的方案2
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于MZ集成调制器级联无光滤波产生高纯度毫米波信号的研究
• 4.1 已有的八倍频方案介绍
• 4.1.1 基于单个集成调制器产生八倍频毫米波信号
• 4.1.2 基于两个MZ调制器级联产生八倍频毫米波信号
• 4.2 基于MZ集成调制器级联的八倍频毫米波信号产生的研究
• 4.2.1 基于MZ集成调制器级联产生八倍频毫米波信号的方案的进一步研究
• 4.2.2 基于MZ集成调制器级联产生八倍频毫米波信号的新方案
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 光纤光栅中调制不稳定性的解析研究
• 5.1 光纤光栅中调制不稳定性
• 5.1.1 理论模型
• 5.1.2 光纤光栅中调制不稳定性的增益特性
• 5.2 光纤光栅中调制不稳定性的解析研究
• 5.2.1 理论推导
• 5.2.2 结果与分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 结论与展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果目录