PAGE1基于電光外部調(diào)制的電光調(diào)制光電振蕩器OEO基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u7201基于電光外部調(diào)制的電光調(diào)制光電振蕩器OEO基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)概述 1131361.2基于單級(jí)/多級(jí)EOM的微波信號(hào)生成原理 1244591.3基于電光外部調(diào)制的OEO 2269931.3.1OEO數(shù)學(xué)模型 3133551.3.2OEO特性分析 41.1電光外部調(diào)制的基本原理電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是某些晶體在外加電場(chǎng)的作用的電光效應(yīng)。電光折射效應(yīng)通常是在泛指外界與電場(chǎng)相互作用下發(fā)光晶體管所變化的光與折射光比率的一種現(xiàn)象：nr其中，晶體的有效折射率系數(shù)表示晶體具有有效的折射率系數(shù)而沒有額外的電場(chǎng)，并且E表示外部電場(chǎng)幅度，a和β代表一次，次級(jí)電光系數(shù)，當(dāng)0時(shí)βu003d，每個(gè)電光系數(shù)代表次級(jí)電光系數(shù)，當(dāng)a≠0且β=0時(shí)，晶體的有效電場(chǎng)折射光功率的大小變化與晶體所需要施加額外電場(chǎng)的折射幅度的平方值形成一個(gè)比例。電光反射效應(yīng)也也稱為二次性的電光反射效應(yīng)。電光驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的主要工作控制原理基于一個(gè)線性波的電光調(diào)制效應(yīng)，以LINBO3為例，當(dāng)線偏振光束通過LINBO3晶體時(shí)，如果偏振方向與LINBO3晶體的長(zhǎng)軸一致，那么線性電光引起的光學(xué)載波的相變效果可以表示為:?Φ指出了LiNBO3的折射率變化。L是光傳播方向上的有效調(diào)制長(zhǎng)度，緯紗代表電光系數(shù)，D代表兩電極之間的距離，表示振幅電光系數(shù)V表示施加電壓的振幅，V代表外電軸，代表光載波的波長(zhǎng)因此，通過改變晶體的施加電壓將信息加載到光學(xué)載體上來控制光學(xué)載波的相位。1.2基于單級(jí)/多級(jí)EOM的微波信號(hào)生成原理基于單級(jí)或多級(jí)微波信號(hào)的光子系統(tǒng)如圖1.1所示。首先，通過激光半導(dǎo)體微波激光器可以產(chǎn)生微波光束,并通過基于電光微波調(diào)制器系統(tǒng)中的電光微波調(diào)制信號(hào)源來進(jìn)行微波調(diào)制;然后,通過各種光子轉(zhuǎn)換方法器來處理在其他光學(xué)微波載體上進(jìn)行調(diào)制的電光微波載體信號(hào);最后,光學(xué)載體信號(hào)被光子轉(zhuǎn)換而成為基于pd模式中的新微波形式的電光微波調(diào)制信號(hào)。圖1.1基于單級(jí)/多級(jí)EOM的微波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)基于單級(jí)/多級(jí)EOM的微波信號(hào)產(chǎn)生方案可以大致分為兩類。一個(gè)是利用微波信號(hào)的光學(xué)頻率倍增來產(chǎn)生單頻微波信號(hào)，選擇具有多個(gè)調(diào)制器和光信號(hào)處理模塊的光調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)光譜分量，從而產(chǎn)生頻率倍增信號(hào)將微波信號(hào)添加到調(diào)制器中。另一類是電光調(diào)制的光譜特性，以產(chǎn)生任何波形微波信號(hào)作為目標(biāo)，并且光學(xué)調(diào)制器和光信號(hào)處理模塊采用光調(diào)制信號(hào)處理，所需的任意小波微波信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換組成。1.3基于電光外部調(diào)制的OEOOEO的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，它包含一個(gè)正反饋回路，包括LD、EM、光鏈路、PD、電放大器（EA）和通道濾波器（EBPF），其基本工作原理是：首先，LD產(chǎn)生連續(xù)的光波，將光波輸入電光調(diào)制器，通過電光調(diào)制器中的微波信號(hào)調(diào)制對(duì)光載波進(jìn)行調(diào)制；然后，光學(xué)調(diào)制信號(hào)將通過更長(zhǎng)的光鏈路，這實(shí)現(xiàn)了大的延遲;然后，延遲光調(diào)制信號(hào)在PD中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換;最后，通過PD產(chǎn)生的微波信號(hào)被放大，EBPF反饋回EOM以形成，整個(gè)振蕩過程從瞬態(tài)噪聲開始，并將光信號(hào)的能量連續(xù)轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)的能量，直到環(huán)路增益系數(shù)降到1。OEO的穩(wěn)定振蕩狀態(tài)可以產(chǎn)生微波信號(hào)，微波射頻信號(hào)處理超級(jí)精細(xì)化。低頻率相位的高噪聲和超低和長(zhǎng)時(shí)間頻率抖動(dòng)的高速光學(xué)和脈沖射頻信號(hào)。圖1.2OEO結(jié)構(gòu)圖1.3.1OEO數(shù)學(xué)模型在OEO振蕩過程中，必須在OEO開環(huán)中導(dǎo)出傳輸功能（即從EOM輸入到EOM輸出傳輸功能的輸入），首先，由連續(xù)生成的光場(chǎng)LD產(chǎn)生的波光可以用作索引功能，表示為指數(shù)函數(shù)：Ein其中E是光學(xué)載波的光場(chǎng)幅度，并且0是光學(xué)載體的角頻率。假設(shè)EOM是推挽MZM，當(dāng)通過微波信號(hào)VN（T）調(diào)制EOM中的光學(xué)載波時(shí)，可以在EOM的輸出處獲得它:Eout式中，v是整個(gè)半波偏壓在調(diào)制器中的應(yīng)用,vg實(shí)際應(yīng)用是對(duì)整個(gè)調(diào)制器的半波電壓進(jìn)行偏置，PD用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào):It其中，R表示PD的響應(yīng)度，P=Em(t)f表示光載波的功率。在EA輸出端的微波信號(hào)可以表示為:VoutV是光電壓，G是輸出端的電壓增益系數(shù)，R是PD的匹配電阻，表達(dá)式為:Vp?對(duì)式(2-6)求導(dǎo)，OEO的開環(huán)增益可以如下獲得Gs如果輸入到EOM中的微波信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào):Vin其中，V0，ω和?Vout（2-10）其中JN是訂單n的第一種貝塞爾函數(shù)。從等式（2-10）可以看出，擴(kuò)展項(xiàng)包含許多高階諧波分量，即，由于系統(tǒng)中的EBPF存在，將過濾這些高階諧波分量。因此，在EBPF的輸出端口獲得的微波信號(hào)可以表示為:V（2-11）定義環(huán)路增益為：GV式（2-11）可以簡(jiǎn)化為：Vout引入復(fù)函數(shù)F(w)表示OEO環(huán)中所有頻率相關(guān)器件的綜合效應(yīng):Fω其中，F(xiàn)(a)和φ(∞)在OEO在整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)上的頻率相關(guān)器件的幅度和相位效應(yīng)分別表示，1.3.2OEO特性分析A.起振闕值為了實(shí)現(xiàn)OEO的啟動(dòng)，必須將初始振蕩放大，這就要求在開放式機(jī)箱中，OEO系統(tǒng)的輸出功率大于系統(tǒng)的輸入功率，因此OEO系統(tǒng)的開環(huán)增益必須大于1。由式（2-20）可知，OEO的啟動(dòng)條件為自由運(yùn)行:Vp?當(dāng)VB=Vπ/2或者VVp?值得注意的是，由于Vp?=GB.振蕩頻率圖1.3OEO輸出信號(hào)頻譜通常情況下，確定OEO振蕩頻率的因素是OEO環(huán)的長(zhǎng)度，EM的偏移設(shè)置和EBPF的中心頻率。此時(shí)，OEO系統(tǒng)的輸出近似于無限脈沖響應(yīng)，它產(chǎn)生許多周期性振蕩峰，如圖1.3所示，需要滿足以下相位條件：ωτ+φω其中，k為非負(fù)整數(shù)?；谑?2-17)可以得到OEO的自出頻譜范圍(FSR)和振蕩頻率的表達(dá)式:FSR=1fosc公式中，l為OEO環(huán)長(zhǎng)，C為真空速度，，表示光纖的有效折射率。因?yàn)閛eo基于更大的延遲獲得更高的Q值，所以rOEO環(huán)的總延遲可以從公式（2-36）可以看出通過環(huán)長(zhǎng)引入的延遲的近似表達(dá)，，確定OEO振蕩的頻率參數(shù)與L和K有關(guān)，因?yàn)樗荅OM偏移引入的相位項(xiàng)。因此，EOM的偏移設(shè)置確定OEO基本模式的頻率；OEO模的間隔由環(huán)長(zhǎng)L確定；如果EBPF是高斯帶通濾波器，它的3DB帶寬小于OEO的模式間距，則OEO可以產(chǎn)生單頻微波信號(hào)，如圖1.3所示，C.振蕩幅值當(dāng)OEO符合閾值時(shí)，在這種情況下，OEO中EOM的非線性對(duì)振幅的穩(wěn)定起到了被動(dòng)的作用，因此環(huán)路增益將繼續(xù)減小，振蕩將繼續(xù)增大，振蕩將增大直到