微波光纤链路的相位噪声机制与抑制方法的研究

This project will research on the mechanisms of phase noises of microwave fiber-optic links (MFOLs) and phase noise suppression methodes. Using the self-proposed two-tone correlation method which can distinguish phase noise generated from different mechanisms, we will study the residual phase noise of MZM（Mach-Zhnder modulator）and PD (photodiode) with relation to the launching optical power, bias voltage and microwave compression, so as to find the optimum working condition for minimum residual phase noise; study the phase noise induced by the optical intensity noise of optical source through AM-PM noise conversion, study the phase noise induced by the phase noise of optical source through the dispersion of the optical fiber; study the phase noises generated by optical Kerr effect and stimulated Rayleigh scattering; and study the influence of dispersion of the optical fiber on the. This project is going to discover the phase noise mechanisms of microwave fiber-optic links and explore the methods to suppress them, so as to build the theoretical foundation for the optimizing of low phase noise fiber-optic links. In conclusion, this project is very important for the development of radio over fiber, optoelectronic oscillators, optical controlled phase-array antennas, as well as optical fiber time, frequency standards distribution networks and gravitational detection system.

研究微波光纤链路中相噪的产生机制和抑制方法。基于自创的双音互相关残余相噪测量法独立测量各种相噪分量并分别研究，研究MZM（Mach-zhnder调制器）和PD（光探测器）的非线性与AM-PM（幅度-相位）噪声转换特性的关系，确定MZM和PD的残余相噪与光功率、偏置电压和微波压缩的关系；研究光源强度噪声通过AM-PM噪声转换产生相噪的规律；研究光源频率噪声通过光纤色散产生相噪的机制；研究光Kerr效应和受激瑞利散射造成链路相噪的机制；研究多种相位噪声情形的光链路相噪抑制方法。本项目旨在掌握微波光纤链路中各种相噪产生的机制，探索相噪的抑制方法，为低相噪微波光纤链路的优化设计奠定基础。对于光载射频、光电振荡器、光控相控阵天线、光纤时间和频率分布网络、应力波探测系统的发展具有重要的实用价值。

微波光纤链路是微波光子系统的重要组成部分，在微波系统广泛采用相干处理以及分布式天线的背景下，微波光纤链路的相位噪声（相噪）成为制约系统性能的关键因素，相噪的抑制方法也成为热点研究课题。本项目研究光链路中散射对相噪的影响、终端反射光对相噪的影响、链路中光谐振腔对相噪的影响、光探测器（PD）中幅度-相位（AM-PM）转换机制、链路相噪的抑制方法以及数字式相噪分析仪。研究结果表明：光源直接调制可显著抑制链路相噪，调制频率100kHz-200kHz的相噪抑制效果最好，但调制频率1MHz的相噪抑制效果较差，其原因是较大调制啁啾导致RIN下降，从而恶化了链路相噪；在光纤长度小于1.2km情形，端面反射对相噪的影响比链路中的散射更显著，可利用终端光隔离器显著抑制此相噪；通过理论与实验证明了链路中插入的光谐振腔将光源频率噪声转化为链路相噪，谐振腔Q值越高则转换越显著，并且链路的相噪功率谱与光源频率噪声导致的谐振腔输出端载波的强度噪声谱是一致的，证明了用光谐振腔插入光链路来提高链路Q值并用于光电振荡器的技术途径是不可行的；建立了PD载流子输运特性与电路特性的综合模型，揭示了PD中AM-PM转换是由载流子输运特性与电路RC时间参数共同决定的，AM-PM转换因子的零点与PD的3dB截止频率工作点对应，可以通过调节偏置电压来调节AM-PM转换因子；开展了相噪分析仪研制工作，采用FPGA中数字锁相与数字本振信号源，测量速度快，能跟踪快速漂移信号，相噪测量灵敏度与进口仪器相近，并具有体积小、成本低的优点，还通过不同数字采样周期的协同工作进一步降低近载频相噪灵敏度，申请了国内发明专利。本项目全面考虑了光纤链路中的相噪因素，采取对应的相噪抑制方法后，实测相噪底已经达到相噪分析仪的噪底。总之，本项目的研究成果揭示了光纤链路中的主要相噪机制，并提出了相应的相噪抑制方法，对于微波光子技术的发展具有重要的意义。