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《电子科技大学》 2010年
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微波信号光学模数转换方法的研究

张谦述  
【摘要】: 光学模数转换技术是数字信号处理系统实现高速模拟信号数字化和突破电子瓶颈最有前景的技术。尽管全世界对光学模数转换器已经进行了三十多年的研究,提出了多种方法,但无论是各个单元部分,还是整体方案均未取得突破性进展,还没有较为完善的实现超高速采样、高精度量化的整体方案,它依然是一个具有挑战性的难题。因此,本论文以微波信号光学模数转换方法为研究对象。在介绍国内外研究动态的基础上,从相位采样、偏振采样和波长采样的角度,研究和建立一种新的高速信号模数转换方法。 首先,从光学模数转换器的基本概念出发,得到了各种噪声与采样速率和量化精度的函数关系。以量化噪声作为判决标准,在其他光学器件性能理想的条件下,深入研究了模拟光学系统CNR和采样光脉冲的强度噪声、平均功率、定时抖动、脉冲宽度对有效位数的影响。研究发现,光学系统CNR和光脉冲强度噪声、平均功率只影响模数转换的量化精度;而定时抖动、脉冲宽度不仅影响模数转换的量化精度,而且限制了采样速率的提高。现有锁模激光技术将光学模数转换器的性能限制在10GS/s、10bits左右。 其次,研究了Taylor相位编码光采样方法的基本原理,得到了渡越时间限制采样速率和量化精度的理论关系式。利用该关系式,估算出Taylor方法将相位编码光采样模数转换的性能限制在1GS/s@4 bits左右。针Taylor方法的局限性,提出了电压电极综合加倍的改进方法,使相同采样速率下的量化精度比Taylor方法提高约2 bits。通过调整M-Z直流偏置电压,克服了现有LiNbO3 M-Z调制器的半波电压过高的缺点,进行了2 bits相位编码模数转换的实验,得到了2GS/s、2 bits的实验结果。 第三,利用SOA的非线性偏振旋转效应,建立起一种新型的高速偏振采样的方法。通过求解SOA中两个偏振方向的载流子速率方程,建立了偏振采样的理论模型,用于描述信号光功率与采样脉冲光的偏振角间的关系。利用偏振采样的理论模型,通过优化输入偏振角及SOA注入电流值,得到了偏振采样的最佳传输特性曲线,并数字仿真了高速偏振采样的过程。理论分析表明,利用SOA的偏振旋转效应可以实现上百GS/s速率的偏振采样和低精度量化。 第四,利用光波长在传输过程中几乎不受噪声及干扰影响的特点,提出并建立了一种新型的波长采样与量化的光学模数转换方法。该模数转换方法以电光调谐的窄带光滤波器为波长采样器,以AWG作为波长量化器,实现了波长采样与量化功能。以量化噪声为标准,理论分析了波长采样与量化方法的性能,得到了以下结果:1)波长采样与量化方法的采样速率取决于光脉冲重频,而量化精度受到采样光脉冲定时抖动和脉冲宽度的限制;2)光波长采样与量化方法的性能不受光源强度噪声及系统CNR的影响;3)现有高重频锁模激光技术将波长采样与量化ADC的性能限制在10GS/s、10 bits左右;4)由于实际器件的性能非理想,波长采样与量化ADC的量化精度主要受到调谐范围的限制。 波长采样与量化ADC的核心器件是高速调谐光滤波器,其调谐速度决定了波长采样的速率,调谐范围和带宽决定了波长量化的精度。因此,本论文提出并设计了电光调谐的对称双波导LPWG可调谐滤波器。从模耦合理论出发,推导并建立了对称双波导LPWG耦合结构的耦合方程,通过拉普拉斯反演变换求解,得到了输出光功率函数和耦合系数的计算公式。利用长周期波导光栅相位匹配条件,研究了对称双波导LPWG耦合结构实现滤波的原理。 本论文采用电光有机聚合物作为波导材料,设计了电光调谐的对称双波导LPWG可调谐滤波器。与传统的光滤波器相比,该滤波器具有ns量级的调谐速度、大调谐范围、窄带宽三个特点,能同时输出互补的带通和带阻滤波结果。建立了电光调谐对称双波导LPWG可调谐滤波器的理论模型,深入研究了LPWG光栅周期、光栅长度、光栅刻蚀深度及耦合系数对滤出波长、3dB带宽及耦合效率的影响。提出利用弱耦合压缩3dB带宽的方法。数字仿真结果表明,对称双波导LPWG可调谐滤波器能在30nm范围,实现带宽0.8nm的高速、线性、连续波长调谐。 为了准确计算对称双波导耦合结构的耦合系数,本论文将A. B. Fallahkhair的矢量有限差分模解算器用于分析和计算包层复合波导的包层模场,解决了现有光波导分析软件无法求解复杂波导模场的难题。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN792

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张慧星;超高速全光取样系统设计及应用[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2012年
2 田鹏武;基于压缩感知的大动态混合信号采集技术研究[D];解放军信息工程大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 张尚剑;张谦述;李和平;刘永智;刘永;;基于半导体光放大器非线性偏振旋转效应的全光采样(英文)[J];半导体学报;2008年06期
2 张谦述;廖进昆;陆荣国;唐雄贵;李和平;刘永;刘永智;;长周期波导光栅窄带光滤波器特性的模拟[J];发光学报;2009年03期
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4 沈荣桂,李宝贞,阮丽真,周炎辉,应再生;集成光学Mach—Zehnder型模数转换器[J];光学学报;1992年07期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 张尚剑;张谦述;李和平;刘永智;刘永;;基于半导体光放大器非线性偏振旋转效应的全光采样(英文)[J];半导体学报;2008年06期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 寇琼月;张新云;张磊;孔路平;;雷达接收机噪声系数分析仪中测试辐射计设计[A];第三届全国嵌入式技术和信息处理联合学术会议论文集[C];2009年
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3 寇琼月;张磊;张新云;强成虎;;对空警戒雷达接收机噪声系数测试仪的设计[A];2009安捷伦科技节论文集[C];2009年
4 卢中昊;;P波段瞬态极化雷达射频系统研制及其性能测试[A];2009安捷伦科技节论文集[C];2009年
5 张谦述;刘永智;杨亚培;戴基智;唐雄贵;;一种新型集成光学模数转换器设计[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集(二)[C];2007年
6 张华;孙健;陶若燕;;C波段窄带腔体滤波器设计[A];2007年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2007年
7 张晓发;梁睿海;冯起;吴微微;;信道化侦察接收机的虚假响应分析及优化设计[A];2007年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2007年
8 刘强;吴景峰;董宇亮;;X波段三通道接收组件的设计[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2009年
9 惠力;唐高弟;李中云;;LTCC多路选通毫米波接收前端技术研究[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
10 魏一平;黄家栋;屈天龙;顾敏;史炎杰;谢祝军;;X波段雷达信标机的设计开发[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 梁锐;基于拉曼自频移和谱压缩的全光量化研究[D];电子科技大学;2011年
2 李晋;太赫兹雷达系统总体与信号处理方法研究[D];电子科技大学;2010年
3 高磊;压缩感知理论在宽带成像雷达Chirp回波处理中的应用研究[D];国防科学技术大学;2011年
4 王国庆;宽带雷达直接解调原理与实时脉压技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
5 祝依龙;特征辅助的目标机动检测技术[D];国防科学技术大学;2011年
6 李柏渝;高性能卫星导航接收机模拟信道关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
7 张长命;铌酸锂波导电光A/D转换器单元技术研究[D];电子科技大学;2006年
8 喻梦霞;毫米波引信前端收发组件[D];电子科技大学;2006年
9 王洪;宽带数字接收机关键技术研究及系统实现[D];电子科技大学;2007年
10 董骞;基于软件无线电的SAR数字接收机研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王巍;宽带信道化数字测频的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘汉章;基于FPGA的中频数字接收机设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 徐国明;基于0.18μm CMOS工艺的超宽带低噪声放大器设计[D];苏州大学;2010年
4 张志聪;2FSK解调器前端设计[D];电子科技大学;2010年
5 潘竞楠;零中频脉冲压缩雷达接收机的性能研究[D];浙江大学;2011年
6 刘亚姣;2.4G高灵敏度接收机射频前端设计与实现[D];电子科技大学;2011年
7 朱利超;某二次雷达信号处理模块算法分析及硬件实现[D];西安电子科技大学;2011年
8 陈静轩;全光模数转换量化方案的研究[D];北京邮电大学;2011年
9 王胜杰;基于脉冲雷达的远程通信技术研究[D];南京信息工程大学;2011年
10 冯娟;某雷达数字中频接收机研究与设计[D];南京理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 石光明;刘丹华;高大化;刘哲;林杰;王良君;;压缩感知理论及其研究进展[J];电子学报;2009年05期
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4 刘丹华;石光明;周佳社;;一种冗余字典下的信号稀疏分解新方法[J];西安电子科技大学学报;2008年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李玉生;超高速并行采样模拟/数字转换的研究[D];中国科学技术大学;2007年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 沈荣桂,李宝贞,阮丽真,周炎辉,应再生;集成光学Mach—Zehnder型模数转换器[J];光学学报;1992年07期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 王全心;APPLE-Ⅱ微机用模数转换卡[J];教学仪器与实验;1991年01期
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4 郑建国;;新型数字式超声波自动测厚仪的研究[J];电子测量技术;1997年02期
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7 贾新民,倪文忠;用单片机测力装置演示超重、失重实验[J];教学仪器与实验;2004年10期
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9 田多华;邱宏安;陆宇鹏;邵立群;;利用FPGA实现的多通道同步数据采集卡[J];电子技术应用;2008年06期
10 吴培根;杨纪明;闫勇;王育虔;;基于DSP内置ADC的频率测量系统设计[J];计算机测量与控制;2010年02期
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2 陈德增;张民;;多功能称重配料仪表设计与应用[A];第七届青年学术会议论文集[C];2005年
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4 王伟;仇润鹤;史玮;;OFDM基带通信系统中同步子系统的设计与实现[A];2008年中国高校通信类院系学术研讨会论文集(上册)[C];2009年
5 杨俊飞;熊继平;;基于单片机的数字电压表的设计[A];2010中国仪器仪表学术、产业大会(论文集1)[C];2010年
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8 刘丽丽;陈明;路游;;基于Bezier样条的曲线光滑处理及交互降噪方法[A];2010年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集[C];2010年
9 武丽杰;王金川;肖国青;郭忠言;徐瑚珊;詹文龙;祁辉荣;徐治国;张力;丁先利;;LASCAR闪烁体阵列探测器PMT高压电源控制系统的监测电路设计[A];第十二届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集[C];2004年
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2 深圳 逸飞;TCL液晶平板电视PVR板的原理维修(三)[N];电子报;2008年
3 尚吉刚;手机大小 随身可带[N];中国计算机报;2004年
4 成都 东方武;用A/D器件代替拨码开关[N];电子报;2005年
5 专题撰文 本报记者 陈洁娜 实习生 张巧玲;数字生活从遥控器开始[N];南方日报;2005年
6 王俊玲 李俊才;东莞友美的自主创新之路[N];中国高新技术产业导报;2006年
7 记者 闫卫;新型测试仪有效诊断消化道疾病[N];科技日报;2005年
8 王婉颐;精确快速水质分析法[N];中国海洋报;2003年
9 大庆 王延满 魏庆安 王春娇;用单片机实现的蓄电池远程数据采集系统[N];电子报;2007年
10 记者 何屹;“通天塔”技术产品10年内将风行世界[N];科技日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张谦述;微波信号光学模数转换方法的研究[D];电子科技大学;2010年
2 吴庆伟;全光模数转换若干关键技术研究[D];清华大学;2009年
3 张长命;铌酸锂波导电光A/D转换器单元技术研究[D];电子科技大学;2006年
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6 易婷;高性能∑△模数转换器设计[D];复旦大学;2002年
7 刘云启;布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究[D];南开大学;2000年
8 张昕明;基于旋光色散效应的波长检测及其应用研究[D];黑龙江大学;2010年
9 杨柳;基于强限制光波导的微环谐振器及其热光特性研究[D];浙江大学;2009年
10 崔艳云;地震预报中的电磁扰动网络化测量系统的研究[D];中国地质大学(北京);2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴港生;光模数转换中后端数据接收系统的设计与实现[D];上海交通大学;2013年
2 薛亮;10位高速流水线模数转换器的研究[D];清华大学;2004年
3 杜廷龙;基于VXI总线的数据采集模块设计[D];北京工业大学;2004年
4 向晓安;高速便携式数据采集系统的研制[D];电子科技大学;2001年
5 陈静轩;全光模数转换量化方案的研究[D];北京邮电大学;2011年
6 张鑫;OFDM传输系统中频接收的设计与实现[D];国防科学技术大学;2003年
7 孟凡勇;电子式电流互感器的研究和设计[D];河北工业大学;2006年
8 张丽梅;馆藏档案数字化的技术策略探析[D];黑龙江大学;2009年
9 马玲梅;光模数转换中的并行处理方法及半导体光放大器光开关[D];清华大学;2011年
10 彭朝勇;便携式接触网导线几何参数检测系统[D];西南交通大学;2005年
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