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基于低相干光干涉的微波延时测量研究

闫成至  
【摘要】:光控波束形成网络通过光延时实现天线阵列上的微波延时,是微波光子学研究热点之一,其核心部分为光真延时模块(TTD)。同样,系统中各天线阵列的微波延时也可通过光延时来测量。为提高系统性能,精确测量光器件中不同光波长的相对延时是很重要的。本文围绕973项目的要求,实现一种微波延时的高精度测量,即基于低相干光干涉法的微波延时测量。 低相干光干涉法通过采集宽谱光通过待测器件后的信号光与参考光之间的干涉图样,再经过相应的数据处理得到宽谱光通过待测器件后的相位变化,并依此计算出不同光波长的相对延时,是一种方便、低成本、高精度的延时测量方法。论文介绍了基于低相干光干涉延时测量原理,并分析了影响延时测量精度的各种因素。论文取得主要成果如下: 通过理论分析和仿真计算,研究了延时测量数据处理中的误差传递过程。实验数据处理主要包括傅立叶变换和曲线多项式拟合。研究表明:傅立叶变化之后计算得到相位误差与强度噪声成正比。相位曲线经多项式拟合后计算得到延时,延时误差与相位误差也成正比关系。此外,数据采集的有限性也会引入延时测量误差,但分析表明后期的曲线拟合可以很好地消除这一影响。 通过理论分析和实验验证,研究了延时测量过程中各种噪声的来源及其对延时测量精度的影响。研究表明:实验中存在的噪声可以分为强度噪声和纯相位噪声两种。其中强度噪声通过影响相位曲线的计算引入延时测量误差,主要包括接收器热噪声、散粒噪声以及宽谱光拍频噪声,并以宽谱光拍频噪声为主。此外,刻度校准误差和参考光强不稳定也会对延时测量精度有影响。纯相位噪声特指待测器件相位特性在测量过程中由于环境温度等因素发生的变化。实验结果与理论分析都表明,由环境因素引入的误差是延时测量过程中误差的主要来源。 搭建了基于气垫导轨移动平台的低相干光干涉延时测量装置,并测量了约20m光子晶体光纤在1540nm~1560nm波段的相对延时差,延时测量结果一致性最佳可达0.14ps,这在相关研究中处于较高水平。


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