1、本 科毕业论文（设计）光注入锁定法和环路锁相法产生微波光子学 院：理学院专 业：光信息科学与技术班 级：10 级光信 1 班学 号：1007010110学生姓名：周 径 指导教师：白光富年 月 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计） ，是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学毕业论文（设计） 第 页I光注入锁定和环路锁相法产生微波光子目录光注入锁定和环路锁相法产生微波光子 .I摘要 .IIAbstract .III0.
2、引言 .11. 微波光子的产生原理 .22. 光注入锁定方法 .32.1 激光器，马赫贞德调制器和光电二极管 .32.2 光注入锁定原理 .42.3 实验仿真 .63. 环路锁相方法 .93.1 混频器和可调激光器 .93.2 锁相环 .103.3 环路锁相的设计 .123.4 实验仿真 .134. 总结与展望 .155. 参考文献 .16致 谢 .17贵州大学毕业论文（设计） 第 页II摘要低相噪、高频谱纯度的理想微波源在现代光通信、雷达、传感器等领域中都非常重要，用光学方法产生微波信号源近年来受到广泛关注。在光域上产生微波的方法主要有光注入锁定法、光锁相环、外调制和 OEO 等。本文利用m
3、atlab 和 optisystem 软件模拟仿真了光注入锁定法和环路锁相法产生微波光子的过程。在光注入锁定法中，主激光器发射的连续光源先被低频射频信号调制，将调制的高阶边带分别送入两个从激光器中，并使其锁定两个从激光器，经过 PD 后获得的高频微波信号。在环路锁相环中，两个波长不一致自由运行的的激光器拍得微波光子信号，注入到光电探测器，输出的微波电信号与参考信号通过鉴相器产生与二者相位差有关的电信号，该信号被注入之前的其中一个激光器从而控制该激光器的注入电流，改变激光器光场初始相位，而这样也就促成了两个光信号之间的相位锁定，实现了两个激光器的相位同步。作者对比分析了两种方法产生的微波光子信号
4、的质量和两种方法的优劣。关键词：微波光子，光注入锁定，环路锁相贵州大学毕业论文（设计） 第 页IIIGeneration microwave photonics through optical injection and phase locked loopAbstractIdeal microwave sources with low phase noise and high spectral purity are very important in many fields, such as modern optical communication, radar, sensors, etc.
5、Using an optical method for generating a microwave signal source has received extensive attention in recent years. Methods for generating a microwave in optical field are optical injection locking, optical phase-locked loop, external modulation, and the optical electronic oscillator (OEO). In this p
6、aper, using Matlab and Optisystem to simulate the optical injection locking and phase-locked loop for generating microwave photons. In the optical injection locking, continuous light emitted from the master laser is modulated by a frequency radio signal, then the light with higher order modulation s
7、idebands are fed into the two slave lasers. For one of the two slave lasers, if there is a sideband fall into the locking range, it will be locked by the sideband. The same is true for the other. When the output lights from the two slave lasers are send into a photodetector (PD), a microwave signal
8、will be obtained. As the output light are phase correlated, the performance microwave signal has been improved. In the phase locked loop (PLL), two light with different wavelengths from two free-running lasers are injected into the photodetector, the phase difference of the generating electrical sig
9、nal and the reference signal are detected by phase detector and it is converted electrical signal, the electrical is injected into one of the lasers to control the laser injection current to change the initial phase to achieve phase synchronization of the two lasers. Author compares and analyses the
10、 advantages and disadvantages of the two methods.Key words: the microwave signal，optical injection locking，optical phase lock loop贵州大学毕业论文（设计） 第 1 页10. 引言微波 1是指波长在 1mm（频率为 300GHz）到 1m（频率为 300MHz）之间的电磁波。而其中的毫米波（频率在 30GHz 到 300GHz 之间）在军事、通信、微波传感等方面有着重要的运用，最近兴起的 60GHz 波段的带宽无线接入技术更是引起了极大的关注。在 1993 年微波光子
11、学概念就已经被提出。其研究内容涉及了与微波技术和光纤技术相关的各个领域。主要集中在两方面：一是解决传统的光通信技术向微波频段发展中的问题，包括激光器、光调制器、放大器、测器和光纤传输链路的研究；二是用光电子器件解决微波信号的产生和控制问题，主要有光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、微波电信号的合成和控制等。在过去的几年里，因微波光子学的应用而出现了一系列对于微波信号问题的解决方案。在一般情况下，微波光电子技术包括以下主题：1）微波光子的产生；2）微波光子的处理；3）微波光子的分布；4）微波光子的模数转换。使用光学方法产生高频微波信号相比传统方法成本低、难度小，于是越来越受到关注。目前可
12、以利用的光学方法有：光注入锁定法 2、3 、光锁相环法、双模激光器法、多次倍频法、锁模激光器法，光子微波振荡器（OEO）等。本文主要介绍光注入锁定法和光锁相环法。贵州大学毕业论文（设计） 第 2 页21. 微波光子的产生原理微波通信因传统微波器件的条件限制而很难往高频段上发展，然而利用光学技术却能很好的产生高频微波信号，其难度更小质量更好，从而使其获得了很大的发展。在理想情况下，利用光学外差法产生微波信号就是利用两个单模激光器，波长分别为 和 ，通过耦合器耦合之后连接到光电探测器上，通过12光电转换之后在频谱分析仪上就可以看到微波信号。假设有两束光波：和1011()cos()Ett2022()
13、cos()Ett和 分别为两束光的振幅， 和 分别为两束光的相位。2 1两束光耦合之后，光电探测器的输出信号为： 221121212()|()|()|cos()()ItREttERPt其中 为光电探测器的响应度。从式中可以看出，信号的频率就是两束光信号的频率之差。然而，从两个自由运行的 LD 中输出的两个光波，由于两个光波的相位是不相关的，会具有较高的相位噪声，并且在通过 PD 的过程中会将两个光波的相位噪声生成到微波信号上，所以本文使用光注入锁定和环路锁相两种方法去降低相位噪声以获得高质量的微波信号。贵州大学毕业论文（设计） 第 3 页32. 光注入锁定方法2.1 激光器，马赫贞德调制器和光
14、电二极管激光器是利用受激辐射的光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件，激光器想要发射激光，那么其必要条件就是粒子数反转和增益大于损耗，所以在激光器的装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大的条件。激光器中基本组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很
15、好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模） ，所以一般激光器都具有谐振腔。马赫贞德调制器是将一束输入光分成两路相等的信号而使其分别进入两个光支路进行调制的调制器。由于这两个光支路采用的材料是电光性材料，因此其折射率会随外部施加的电信号大小而变化。因为两个光支路上会因施加电信号的不同而导致折射率变化，所以两束光信号在通过两个不同的光支路后其相位差会存在变化，而相位差的存在使得两支路信号再次结合在一起时，会因两者相位之间的变化而获得干涉信号，其干涉效果在光强度上得以表现，这样就保证了电信号的变化转换成为光信号的变化可行性，实现了光强度的调制。同样的，马赫贞德调制
16、器也能够通过控制其偏置电压，来实现不同边带的调制。光电二极管是将光信号转换成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个 PN 结，和普通二极管相比，在结构上会所有不同，即光电二极管的 PN 结面积会尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且 PN 结的结深很浅，目的就是为了提高光电二极管接受入射光照的效率。光电二极管是能够在反向电压作用之下工作的。没有光照时，该反向电流很小（一般小于 0.1 微安） ，因此被称为暗贵州大学毕业论文（设计） 第 4 页4电流。当有光照时，携带能量的光子冲击到二极管上，把能量传给共价键上的束缚电子，激发该电子，从而产生自由的电子-空穴对，而这也被称为光生载流子。它们在反
17、向电压作用下分别向阴阳极进行漂移运动，从而使反向电流获得增益，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导” ，因此光电二极管在一般照度的光线照射下，产生的电流叫光电流。当光电二极管外接负载时，那么在有光照的条件下负载上就能获得电信号，且该电信号会因光照强度的变化而变化。实际上探测到的光电流是暗电流和光电流的叠加，因此想要提高光电二极管的灵敏度，就应将暗电流最小化。2.2 光注入锁定原理在机械和电子系统中经常能用到注入锁定，但弱信号注入一自由运转的振荡器中所产生的注入锁定现象同样能在激光系统中得到实现。利用这一现象，一个强输出的激光器可以被一束弱的、性能优良的激光束进行控制，而使其输出光
18、束的光谱特性、模式相位特性及空间特性得到控制。光注入锁定根据注入光的特征可分为两类：第一种是连续激光器的注入锁定：将一弱的高质量的单色光束注入到一连续发射的激光器中，若注入光信号频率 足够接近激光器的自由振荡频率 ，则激光振荡器可完全为注入信号控1v v制，激光器振荡模式的频率跃变为 ，相位与注入信号同步。第二种是脉冲激1光的注入锁定：在调 Q 或增益开关激光器启动过程中注入一弱型号，可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振，其他模式被抑制，实际上激光振荡并未被注入信号真正锁定，激光频率仍为激光器自由振荡的频率。以下提到的光注入锁定为第一种方法即连续激光器的注入锁定：主激光器 mf主激光器从
19、激光器 1从激光器 2频率调制器低频信号光电探测器光纤nmf图一 光注入锁定原理图贵州大学毕业论文（设计） 第 5 页5发射的连续激光被射频信号（频率为 ）调制以后 4,5,6，产生了图二所示谱线mf分布的激光信号。将高阶调制边带分别通过从激光器 1 和从激光器 2。在从激光器中，无注入光时激光器的输出光强 7为： 00()1(12sgIr式中 为从激光器的饱和光强， 为s r激光器反射率， 为从激光器中心频率增益系数， 为从激光器的损耗系0()g数。当输入采样信号在注入锁定频率范围 内时，采样信号被增益放大，而其f他信号被抑制。 10()2IrcfL式中 为从激光器中激活物质的折射率， 为从激光器的腔长， 为输入采L1I样信号的光强。输出光的电场为： 11 1()()()exp2cgtrtLjkl式中 为输入采样信号光的电场， 为增益介质的增益系数， 为增ct 1()gl益介质的长度， 。1kc增益介质的增益系数 为：1()g21010()()()Hg式中 为增益曲线宽度， 中心频率处的小信号增益系数， 为采样H0g1mf0图二 经调制器调制以后的谱线图
