基于反谐振波导微环的光控波束延时网络设计

设计了面向Ka频段(30 GHz)相控阵天线的4阵元子阵集成波导光延时网络。该光延时网络采用相位调制方式将射频信号转换至光域,波导微环处于反谐振状态,以实现大带宽、连续可调延时;通过带通滤波仅对一个边带进行延时调控,基于差分平衡探测器还原出射频信号。优化设计了级联双波导微环的结构参数,使每条路径的延时量在0～24.9 ps范围内连续可调,延时带宽大于4 GHz,实现了最大扫描角为±30°的波束扫描。对光延时网络链路的增益和噪声系数进行了推导分析,评估了整个延时芯片系统在实际应用中的性能。     

重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源的研究

提出了一种新型的基于光电振荡器的重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源. 光电振荡器系统可以产生超低相位噪声的微波信号; 被该信号调制的直调光经过两次相位调制之后, 使光脉冲的啁啾增强; 再通过一段色散补偿光纤, 光脉冲被进一步压窄. 实验中使用YIG可调滤波器, 可以得到8–12 GHz内步进为200 MHz的可调谐微波信号, 因此光脉冲的重复频率具有可调谐性. 当微波信号即脉冲重复频率为9.6 GHz时, 测得脉冲宽度为3.7 ps, 相位噪声为-130.1 dBc/Hz@10 kHz. 由此得出光脉冲的瞬时抖动为60.1 fs (100 Hz–1 MHz), 因此该方案产生的光窄脉冲源具有超低的抖动.     

基于Kerr效应的微环谐振腔延时器件

对基于光学Kerr效应的微环谐振腔延时器件进行了研究.采用耦合模式理论计算了波导与微环谐振腔间的耦合系数,给出了所研究器件的材料及各层组分,提出不同阶数微环的情况下延时数值的控制方法.结果表明:微环谐振腔半径为300μm,波导截面尺寸为450×1 000nm2,在小于±5ps抖动的条件下,每个通道达到超过130ps的延时数值,同时延时带宽达20GHz,自由光谱范围达50GHz,工作波段在1 550nm附近,满足密集波分复用系统的要求.整个结构全光控制,且能耗不超过0.8dBm,响应速度达到ps量级,体积不超过3mm3,便于集成,满足多信道光学延时的要求,为全光通信网络中延时线的研究提供了参考.     

应用于相控阵雷达的光子晶体慢光波导光实时延迟线

光子化研究是相控阵雷达的发展趋势,光子晶体以其优异的集成度及光学特性在相控阵雷达光子化研究中具有广泛的应用前景。基于光子晶体波导慢光特性及热光调制原理,设计了应用于相控阵雷达波束形成网路的光实时延迟线。通过优化光子晶体慢光波导参数,所设计光子晶体光实时延迟线可实现延时量为0~36.69ps的高精度调谐,得到23GHz以上的延时带宽。通过优化实时延迟线群速度随温度的色散特性,温度每变化1℃,延时量变化量在0.36~1.57ps/mm范围内。所提出的基于光子晶体波导的光实时延迟线,可实现延时量的高效、高精度调谐,相对于传统电域波束形成网络,具有集成度高、瞬时带宽大、调谐精度高等优点,为高频段宽带相控阵雷达波束形成网络的研发提供了理论基础。     

全保偏49 GHz高重频多波长光源的产生

频域稳定的高重频多波长光源是信道化和光通讯等领域的理想光源。为了满足高重频多梳齿激光源的应用需求,本文研制了49 GHz梳齿间隔的多波长激光源。通过优化I/Q两端射频信号和三个偏置点,IQ调制器稳定工作在载波抑制单边带模式,杂散频率成分抑制比达到27.5 dB。本文利用循环调制技术产生宽带多波长光频梳,并通过优化射频功率建立环内增益-损耗平衡,有效提升平坦度,获得了梳齿间隔为24.5 GHz、梳齿数目为28根、平坦度仅为3 dB、梳齿信噪比(TNR)达29 dB的多波长光频梳。在此基础上,进一步利用法布罗(FP)滤波技术将频率间隔提升到49 GHz,最终得到梳齿数目达14根,平坦度为2.7 dB,TNR达19 dB,平均光功率为9 dBm的高重频多波长光频梳。由于采用了全保偏光纤器件和集成化技术,本系统具有一键式启动和长时稳定运行的特点,运行半小时的功率抖动标准差仅为0.5%,有望在各微波光子领域中应用。     

一种倍频因子及输出相位连续可调的微波光子移相系统

提出一种倍频因子连续可调,且相位连续变化的微波光子移相系统.系统主要由两个集成双偏振双平行马赫增德尔调制器组成,在不使用光滤波器的情况下,调节双平行马赫曾德尔调制器及相位调制器的射频驱动和直流偏置电压,生成二倍频,三倍频,…,六倍频微波信号,同时实现输出微波信号相位0～360°连续可调.仿真结果表明,当射频信号频率为10GHz时,可分别产生频率为20、30、40、50、60GHz的微波信号.调节相位调制器的直流偏置电压与半波电压比值从-1到1变化时,对应微波信号的相位从-180°到180°变化.此外,分析了调制器消光比对输出微波信号光载波抑制比和电杂散抑制比的影响,以及90°电桥相位平衡对微波信号相位漂移和幅度波动的影响.     

矩形谱宽带光抽运的布里渊慢光理论研究

对矩形谱宽带光抽运下的布里渊慢光延迟特性进行了理论分析。在小信号增益情况下,得到了高斯脉冲延时量、脉冲展宽因子和增益的解析表达式。计算结果表明,当信号光的10 dB带宽小于抽运光带宽的0.357时,解析解和数值解吻合,且信号光脉冲能实现零展宽延迟。单个矩形谱宽带光抽运能达到的最大有效布里渊增益带宽为20 GHz,可以实现半峰全宽约100 ps的高斯光脉冲的零展宽延迟。与高斯谱宽带抽运光相比,矩形谱宽带抽运光可减小脉冲失真。     

100.8 km大动态零差相干微波光子传输链路

针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz^2/3和100.8 km)传输。     

利用单光源光电振荡器实现多波长光脉冲与电时钟信号产生

提出了一种利用单光源光电振荡器(OEO)结构实现多波长光脉冲输出的方案.通过一个直调光源和光谱切片技术在OEO腔内可以产生不同中心波长的光脉冲和电时钟信号.腔内多个波跃通道自然形成的多环路结构可以有效地抑制信号边模.在5 GHz频率的实验演示中,该系统产生了脉宽约10 ps,抖动1 ps的单波长脉冲、20 GHz(4×5 GHz)的时分复用脉冲与波/时分复用脉冲.所得到电时钟信号的相位噪声在频偏10 kHz处为-113 dBc/Hz,边模抑制比为100 dBc/HZ.     

10 GHz全光帧时钟提取的理论和实验研究

提出了一种新型的10 GHz全光帧时钟提取的提取方案。采用低精细度的法布里-珀罗(F-P)滤波器直接提出帧时钟,保证帧时钟的快速建立和快速消失。利用半导体光放大器(SOA)的自增益调制效应(SGM)对法布里-珀罗滤波器提取的帧时钟进行整形,降低帧时钟的幅度噪声。并推导了法布里-珀罗滤波器的精细度和半导体光放大器的自增益调制效应对帧时钟建立时间、消失时间的影响。通过理论分析表明,利用半导体光放大器的自增益调制效应可以降低帧时钟的幅度噪声并加快帧时钟建立速度。实验中,用上述方案对10.075 GHz的帧信号进行了全光帧时钟提取,得到了建立时间为8个信号周期,消失时间为22个信号周期,抖动为2.35 ps的帧时钟信号。     

高频半导体激光器组件及其特性的研究

本文使用DC-PBH型激光二极管芯片,设计制作了实用化封装形式的激光器组件;在理论上和实验上研究了组件的封装模型和小信号频率调制特性,其光响应3dB带宽大于1.8GHz.该器件可满足六次群的光通信系统的带宽要求,也可用于GHz级的微波副载波光通信系统。     

基于Y型分支与布拉格光栅结构的集成光芯片研究

采用Y型分支与深刻蚀布拉格波导光栅相集成的方案,制备了带有通道监控功能的1×8光分路器集成芯片。耦合封装后的集成光芯片同时实现了稳定的通道光信号传输与监控功能。集成光芯片8通道反射谱中心波长范围为1 597 nm～1 639 nm,间隔为6 nm,3 dB带宽最大为0.67 nm,通道反射率最低为88.24%。1 550 nm波长下测试8通道的平均插损为11.92 dB,输出均匀性为0.19 dB。本文设计并制备的集成光芯片结构简单、集成化高,可以应用于光纤到户建设及其他光网络传输中,实现网络链路状态的实时监控。     

低复杂度数字辅助非线性自干扰光域模拟消除

在带内全双工（IBFD）多输入多输出（MIMO）通信系统中,通道间串扰、非线性失真及多径效应的共同作用使自干扰信号异常复杂。为在大带宽应用场景下消除此复杂自干扰信号,提出一种由最小二乘（LS）算法辅助的MIMO非线性自干扰光域消除方案,并将其与数字域消除相结合。该方案对IBFD MIMO系统中的复杂自干扰信号进行建模,并利用LS算法对模型参数进行估计,进而重建出模拟参考信号并用于实现光域模拟自干扰消除。此外,通过设置门限,在保证模拟消除深度的情况下忽略自干扰信号中功率较低的分量来降低LS算法阶数,提高参考重建速度。经实验验证,当MIMO多径自干扰信号的载波频率和波特率分别为1 GHz和0.5 Gbaud时,所提方案经过光域模拟和数字域自干扰消除后,可实现约35 dB的自干扰消除深度。     

光探测器偏压调制技术的理论研究

为了简化和改善光载无线通信系统,提出了一种光探测器偏压调制技术,利用PIN光探测器(PIN-PD)和单行载流子光探测器(UTC-PD)的输出光电流随偏压变化的特性进行调制.采用光探测器偏置调制技术,光电探测和调制可以在一个光探测器上同时实现.研究表明当入射光功率为2.93dBm时,PIN-PD在10GHz射频副载波上的调制带宽为800 MHz,UTC-PD在150GHz射频副载波上的调制带宽为18.75GHz.调制带宽随入射光功率的增大而增大,当入射光功率为12.93dBm时,UTC-PD在150GHz射频副载波上的调制带宽可达25GHz.调制深度与正弦偏压调制信号的最小值有关.     

基于F-P腔和SOA 100 GHz及200 GHz全光时钟恢复

解释了当信号速率是法布里-珀罗(F-P)腔的自由光谱区宽度(FSR)的整数倍时,利用F-P腔和基于半导体光放大器(SOA)级联偏移滤波的幅度均衡系统实现全光时钟恢复的原理。从理论上研究了幅度均衡系统中偏移滤波参数对时钟幅度抖动的影响,并且给出了理论上最佳的偏移滤波参数。实验中,为了解决时分复用(OTDM)系统中不同时隙信道信号光相位不同导致F-P腔输出光脉冲幅度严重起伏的问题,采用了对信号光进行波长转换的方法,最终利用FSR为102 GHz的F-P腔和幅度均衡系统成功地分别从102 Gb/s和204 Gb/s归零码开关键控(RZ-OOK)码信号中恢复出了102 GHz和204 GHz的光时钟。其中102 GHz时钟的幅度抖动为8.5%,时间抖动小于236 fs;204 GHz时钟的幅度抖动为9.4%,时间抖动小于251 fs。     

基于电吸收调制晶体(EAM)的超短光脉冲特性研究

数值模拟了两种形式的基于电吸收调制晶体(EAM)的超短光脉冲源(单EAM)和级联EAM形式)的输出脉冲宽度及消光比与外加反向偏压、射频信号幅度之间的变化关系.数值模拟结果表明,在重复率为10GHz情况下,对于单EAM形式,可以获得的最小脉宽大约为13ps,其消光比大于20dB,脉冲波型接近sech2孤子波型;对于级联EAM形式,我们得到了小于5ps的超短脉冲,消光比也较单EAM形式有较大的提高.因此,单EAM形式的超短脉冲源可以满足20Gb/s的OTDM系统需求,也同样适合于超长距离的光孤子通信系统;级联形式EAM可以满足40Gb/s的OTDM系统光源需求.     

新型有机聚合物光子射频2路移相器的设计

以3dB带宽为12GHz的有机聚合物光子射频2路移相器的理论设计为目标，设计了一种新型的有机聚合物射频（RF）移相器，并对其光波导结构及电极系统进行了仿真。分析了移相器的输出特性，可在两个端口实现360°的连续线性移相，并且输出功率波动小于3dB。该器件移相性能好，体积小，有利于阵列集成。     

自混沌光相位调制光反馈半导体激光器输出光的混沌特性

混沌光的延时特征(time delay signature, TDS)和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量,常用来表征混沌光的混沌特性.将具有外腔光反馈的半导体激光器(semiconductor laser, SL)作为主激光器,以具有自混沌光相位调制光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的混沌光双路注入到从激光器中,构成具有外光双路注入的自混沌光相位调制光反馈的半导体激光器系统.数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出光TDS的影响,然后将此系统对TDS的抑制效果和具有外光双路注入的光反馈半导体激光器以及具有外光单路注入的自混沌光相位调制光反馈半导体激光器进行对比和分析,从而阐明了本文所提出的方案对TDS的抑制效果较好.在TDS被有效抑制的参数条件下,研究了混沌光的带宽,结果表明:本文提出的方案可以有效提高系统输出混沌光的带宽,获得混沌光的3 dB带宽的最大值约为16 GHz.     

半导体激光器输出混沌光的延时特性和带宽

提出一个新的方案用于抑制半导体激光器输出混沌光的延时特性并研究其带宽.在该方案中,将由伪随机信号驱动的相位调制器加到具有双路光反馈的半导体激光器的两个反馈腔中,从而构成具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统.数值研究了延迟时间和反馈系数等参数对该系统输出混沌光的延时特性的影响,用自相关函数曲线中的延时特征峰的最大值表示延时特性.然后将该系统对延时特性的抑制效果和具有双路光反馈的分布反馈半导体激光器系统以及具有单路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统进行比较,结果表明本文所提出方案的抑制效果最好.进而基于能有效抑制延时特性的参数条件研究了具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器输出混沌光的带宽,结果表明,抽运因子的增大和反馈系数的增加都能使系统输出混沌光的带宽变大.     

基于光电振荡器的宽带射频下转换及在高清视频传输的应用

以无压缩全高清视频的光载无线传输为背景,通过研究宽带射频光子下转换技术,从而构建全高清视频的实时传输系统,其中下转换系统主要基于光电振荡器实现.由于光电振荡器的注入锁定,光微波信号中的载波信号被提取出来,并反馈至调制器,与宽带光微波信号混频,在光域实现信号下转换.实验论证了载频为10GHz,码率大于2Gb/s的信号下转换和有线无线传输.利用天线和光纤实现了距离为0.5 m的无线分发和距离为10km的有线传输.本文还成功实现了1.5Gb/s无压缩高清视频信号的实时传输.实验结果表明,该系统具有大带宽、抗电磁干扰等优点,同时利用光电振荡器的自动相位跟踪技术,无须外加锁相等操作.整个下转换系统简单稳定,为高清视频的有线无线传输提供了论证和演示平台.