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基于光纤延时线的可调微波移相器的制作工艺与噪声研究

黄嘉麟  
【摘要】: 光纤延时线技术是微波信号处理领域中非常重要的一个发展方向。它利用光信号在传输中产生的延时,达到控制输出信号时序、相位等目的。基于光纤延时线技术的微波移相器,具有时间带宽积大、损耗小、抗电磁干扰等特点,可以通过光学真延时实现超过180°微波相移。尤其是可编程光纤延时线移相器,通过动态切换微波相位,能够实现光控相控阵雷达的波束扫描。为了提高系统的移相精度和波束扫描速度,高精度延时光纤的制作和快速光开关技术成为这类新型微波移相器的关键。本文主要工作针对上述问题,通过对一种基于半导体光放大器的3n光纤延时线结构的可调微波移相器系统进行制作工艺和传输信号噪声特性的研究,探索光纤真延时技术在微波移相器中的可行性及其应用价值。 首先,半导体光放大器作为一种具有高速开关效应的有源光器件,应用在光纤真延时微波移相器中,能够保证系统的相位切换速度。而且它还具有线性放大、非线性作用等多种功能,在光放大器、光开关和全光信号处理等领域有广泛的应用。新型基于SOA光纤延时线可调微波移相器,不但具有微波扫描速度快、能够补偿级联损耗、改善传输信号噪声性能,而且在相同的器件数下能够提供最多的延时量组合,起到节约成本、减轻重量的效果。为此,本文首先分析研究了SOA的基本性能,结合3n光纤延时线移相器的应用,设计制作了相应的SOA驱动电路,并且通过对电路的调试,做出优化与改进。 其次,本文研究了基于光纤延时线的可调微波移相器的一项关键技术——高精度延时光纤的制作。我们设计并实现了一套高精度的光纤延时线拉伸系统,并开发了配套的工艺流程。高精度光纤微拉伸系统分为精密测量、可调加热、精密拉伸和操作平台等四个模块。可调加热模块将温度提升到约560℃,在测量系统的监测下,通过高精度步进电机对光纤进行拉伸。经过多次实验,找到了整个拉伸系统的最佳工作参数。在工艺流程的配合下,我们实现了1ps的延时精度,误差不超过10%。这套高精度的光纤延时线制作系统与工艺流程,不但在研究过程中发挥了很大的作用,而且也适用于全光采样、光时分复用等对光纤长度要求较高的应用场合。 最后,本文从光学和电学两方面,对基于上述结构和关键技术实现的微波移相器系统进行了信号传输性能的理论和实验研究。在光学方面,由于器件之间存在的差异,导致延时线单元三路分支的输出信号增益、信噪比等略有不同。光纤延时线微波移相系统中饱和工作的SOA对信号噪声有抑制作用。不同状态下,一级延时线单元的输出信噪比劣化程度改善达到6dB以上。两级延时线级联系统中,第一级延时线中SOA引入的ASE噪声是输出信噪比恶化的主要因素。实验表明,当第一级延时线提供0dB以上的增益时,输出信号信噪比劣化程度不超过-28dB。我们还比较研究了SOA的传输结构与反射结构的噪声特性。反射结构中饱和工作SOA对噪声产生二次抑制,而且在较小的输入信号下就能发生噪声抑制现象。在电学方面,我们对光载微波信号在基于光纤延时线的移相器中的传输性能做出探索性研究。10GHz的微波信号调制到6dBm的1550nm光信号上,通过移相器后,输出微波信号信噪比达到74.55dB,令人满意。这种基于新型光纤延时线的可调微波移相器系统中,SOA光开关对信号的噪声性能有比较大的改善。 整个研究从平台搭建、系统制作到信号测试,研究结果对微波移相器技术、光纤延时线技术等领域都有非常重要的实际意义。


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