新型低相噪OEO及其传感应用研究

【摘要】：传感器与精密测量技术在科学研究与工业发展中扮演着重要角色。随着光电子技术的快速发展,越来越多的光电传感器走向实用化并在系统中发挥着重要作用,探索新型传感技术对于应对测量领域日益苛刻的需求具有重要意义。光电振荡器(Optoelectronic Oscillator,OEO)采用具有较大延迟时间的光电反馈结构实现高品质因数的闭环回路,其产生的振荡信号具有极低的相位噪声,且相噪不随频率的升高而升高,这意味着OEO的频率抖动即使在微波、毫米波段也非常小。OEO的振荡频率对其谐振腔的腔长变化非常敏感,且振荡频率越高灵敏度越高,这使得OEO在高灵敏度、高分辨率传感中具有极大的潜力。本文首先对描述OEO的理论模型进行了回顾,深入探讨了 OEO的相位噪声性能。然后提出了基于外差锁相OEO的稳频方法以及基于中频选频的OEO结构并进行了理论分析与实验研究。最后对OEO在温度、应变、压力、振动等物理量的传感应用中进行了传感器结构设计、理论分析和实验验证。论文的学术价值与主要创新点如下:1.结合Yao-Maleki模型与Leeson模型对OEO的相噪分布进行了研究。实验研究了射频放大器中的强度噪声到相位噪声的转换关系,并根据Leeson模型反推出设计OEO相噪的方法。2.提出了两种产生低相噪微波信号的OEO结构。一是基于外差锁相的OEO,该结构通过外差方式,降低了锁相OEO的环路阶数,避免了高阶锁相环可能带来的环路稳定性问题。另一种是基于中频选频的单环路OEO结构,研究了本振相噪到OEO输出相噪之间的传递关系,并进行了实验验证。3.在OEO静态量的传感研究中,利用中频选频OEO结构进行温度传感器设计,克服了起振模式模糊带来的测量误差。基于多个变量同时控制OEO频率的外差锁相思想,提出了锁相跟踪解调方法,使OEO传感器的动态范围不再受模式间隔(FSR)限制,并设计应变传感实验进行了验证。最后提出了基于双环双频OEO的压力传感器结构,通过双环路的差分消除了温度漂移引起的传感误差。4.在基于OEO的振动传感研究中,提出一种基于级联双输出马赫增德尔调制器与光纤干涉仪的相移载波调制传感器结构,有效提高了 OEO中光纤的应变灵敏度。推导了 OEO相位噪声与传感器最小可检测量之间的关系,并研究了系统的动态范围。最后通过实验验证了理论推导,说明了 OEO传感器用于微小振动信号测量的优势。