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基于光纤激光器的微波信号产生及其应用研究

贾青松  
【摘要】:伴随着微波技术在高速宽带无线接入、雷达及卫星通信、电子对抗、传感网络和天文探测等领域的广泛应用,高频微波信号的产生和处理成为目前研究的热点,微波光子学正是针对这一发展需求所产生的新兴交叉学科,其利用光学方法处理微波信号。相比于传统的微波技术,微波光子技术具有损耗小、抗电磁干扰和带宽大等诸多优点,可以解决传统微波技术难以解决的问题,因此利用光学方法处理微波信号具有十分重要的研究意义。本文基于光纤激光器对微波光子学领域中的微波信号产生及其应用展开研究。本文首先介绍了多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、高频微波信号产生、光纤激光拍频温度传感和激光/微波信号混合传输的研究现状,其次介绍了基于多波长布里渊光纤激光器和锁模光纤激光器的微波信号产生理论。随后分别研究了基于受激布里渊散射效应的多波长布里渊光纤激光器,基于双波长布里渊光纤激光器的高频微波信号产生和基于锁模光纤激光器的高频微波信号产生,通过以上研究提供的理论和实验基础,设计了基于拍频微波信号的高灵敏度温度传感系统和基于拍频调制技术的激光信号和微波信号混合传输系统。本文的主要研究内容和学术贡献如下:1.研究了基于受激布里渊散射效应的多波长布里渊光纤激光器,通过设计不同的结构分别实现了单倍布里渊频移间隔、双倍布里渊频移间隔和三倍布里渊频移间隔的多波长激光信号输出,分析了泵浦光,泵浦光波长和掺铒光纤放大器放大功率等对多波长激光信号输出数量的影响。2.研究了基于双波长布里渊光纤激光器的高频微波信号产生,通过对输出的具有不同布里渊频移间隔的双波长激光信号进行拍频探测可以产生~10、20、30和40GHz的高频微波信号,通过改变增益介质长度、加入双环结构和Sagnac环滤波器结构等方法实现了单纵模双波长激光信号的输出,进而可产生超窄线宽的高频微波信号。3.研究了基于锁模光纤激光器的高频微波信号产生,利用基于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器最大可产生频率间隔为406.8 MHz的高频微波信号序列,为了增强腔内的非线性效应进而产生更高频率间隔的高频微波信号序列,设计了基于非线性偏振旋转效应和半导体可饱和吸收镜的混合锁模光纤激光器,产生了最大频率间隔为1.78 GHz的高频微波信号序列。4.设计了基于拍频微波信号的高灵敏度温度传感系统,通过对传感多波长布里渊光纤激光器和参考多波长布里渊光纤激光器产生的多波长斯托克斯光信号进行滤波和拍频探测来测量温度信息,实验测得第2、4、6、8和10阶斯托克斯光信号对拍频探测所对应的温度灵敏度分别为2.111 MHz∕°C、4.688 MHz∕°C、6.381 MHz∕°C、8.516MHz∕°C和10.732 MHz∕°C。5.设计了基于拍频调制技术的激光信号和微波信号混合传输系统,在同一结构中可同时实现激光信号和微波信号的混合传输,当采用1550 nm激光信号作为载波时,最高可传输10 GHz的正弦模拟信号和10 Gbps的伪随机数字信号。当采用10.86 GHz高频微波信号作为载波时,最高可传输800 MHz的正弦模拟信号和300 Mbps的伪随机数字信号。本文的研究工作将为光纤激光器在微波光子学领域中的微波信号产生及其应用提供一定的参考。


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