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基于光纤器件的微波信号产生、滤波技术及其应用

付宏燕  
【摘要】:微波光子学是一门研究微波信号和光信号之间相互作用的新型交叉学科,在无线宽带接入网、传感网络和微波测量等领域具有广阔的应用前景,因而受到广泛的研究关注。微波信号光学产生和滤波技术是微波光子学的两个重要研究方向。近年来,微波信号光学产生和滤波技术成为研究热点,有很多新方案被相继提出,而对其性能分析、优化及应用方面的研究却比较少。本文结合光纤器件大带宽、低损耗、小型化和可调谐性好等优点,研究高性能、低成本的微波信号产生和滤波实现新方案,并对其性能进行理论和实验方面的深入研究,这些方案与已有研究相比不仅在性能方面得到了很大的改善,并且具有结构简单,成本低等优点;另外,本文还对微波信号光学产生和滤波技术在Radio-over-Fiber (RoF)系统和光纤传感系统中的应用进行了探索性研究,并做了详细的理论分析和实验验证。 本文首先介绍微波光子学的基本概念和发展背景,给出该研究领域的关键设备和技术;介绍目前微波光子学的研究热点,包括微波信号光学产生和处理技术等,并对其在RoF系统、光纤传感和微波测量领域应用的研究现状进行概括。 接着介绍几种可用于微波信号产生和滤波技术的光纤无源器件,包括布拉格光纤光栅、光纤耦合器以及由它们构成的光纤延迟器件;简单介绍了光纤传感技术的原理。这些内容是本论文的研究基础。 然后研究基于光纤器件的微波信号光学产生技术,重点研究采用光外差法实现微波信号产生。针对利用该方法产生微波信号需要相位相关性很好的具有一定频率差的光信号的特点,提出了采用布拉格光纤光栅法布里-珀罗腔双波长激光器拍频产生微波信号;利用光纤受激布利渊散射效应产生微波信号的方法。在应用方面,研究基于FBG法布里-珀罗腔双波长激光器拍频在RoF系统上/下变频中的应用;首次提出将相移布拉格光纤光栅双波长激光器拍频产生的微波信号应用于高灵敏度应力传感,并进行实验验证。 然后,对几种基于光纤器件的新型微波光子滤波器的性能进行理论和实验方面的详细研究。主要研究包括:基于光纤环的微波光子滤波器,实现连续可调、高Q值的微波光子滤波器;基于布拉格光纤光栅对的微波光子滤波器,研究光栅反射率和中心波长对滤波器响应的影响;基于光纤马赫-曾德干涉仪的微波光子滤波器,实现连续可调的单响应微波光子滤波器,并采用相位调制的方法有效地抑制基带响应;基于级联调制器的可调谐、可重构微波光子滤波器。 最后,研究微波光子滤波器在RoF系统副载波解复用和光栅传感解调方面的应用。将光纤环微波光子滤波器和多光源微波光子滤波器分别应用于RoF系统滤出所需频率的副载波信号,并加载数据测试系统性能;首次提出将Sagnac光纤环微波光子滤波器应用于光栅传感解调,并在理论和实验方面研究其解调性能。 本文理论和实验研究并重,研究基于光纤器件的微波信号产生和滤波技术新方案,并对其新的应用领域进行了开拓性研究,对推进微波光子技术及其应用方面研究的发展具有一定的意义。


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