高频稳光子毫米波产生及其频率与相位的精细调控研究

Photonic technology opened the door for researching millimeter-wave and terahertz.Although the generation of mm-wave by optical technology progressed rapidly, the frequency stability, large dynamic tuning and the precise phase control are hard to satisfy some especial requirements,Such as the phased array radar,astronomy,high precision time and frequency transfer and deep space exploration system. The project researches on performance damage of millimeter-wave and accurate compensation method during the conversion process of photonics device which are based on researching on the interaction and physical relevance between optical wave and microwave signal and reveals the mechanism of highly precision and adjustability control of millimeter wave frequency and phase on the light field and electric field. Moreover,it explores the new method of the ultra-low phase noise frequency generation and stable phase transmission. The project is based on the DFB laser, electro-optic modulator , the high-speed optical detector and other key device construct phtonic millimeter wave systems, focus on the impact of the millimeter-wave performance from the quantum noise of the system, the high freqeucy stability photonic millimeter-wave frequency generation, based on the rubidium atomic frequency standards, the frequency tuning with optical frequency Comb and channel FBG filter , phase error detection of photonic millimeter-wave and the closed-loop control mechanism, and builds testing experimental system with opto-electronic hybrid adaptive error compensation strategies using the optical domain and the electrical domain mixed-control mechanism. Through numerical analysis and experimental testing,the correctness of the theory is verified and the obtained original research results provid a solid theoretical foundation on the study of high performance photonic millimeter wave system and integrated devices.

光子技术为研究毫米波/太赫兹波打开了大门，光子毫米波研究进展迅速，但其频率稳定度、大动态调谐和精确相位控制还很难满足高精度时频传递、相控阵雷达、天文与深空探测等系统需要。本项目在研究光波与毫米波信号之间相互作用和物理关联性的基础上，研究光子学器件在转换过程中引起的毫米波性能损伤及其抑制与精确补偿方法，揭示光域和电域精细调控毫米波频率和相位的机理，探明光子毫米波信号高频稳、超低相噪产生与稳相传输新方法。本项目基于DFB激光器、电光调制器和高速光检测器等关键器件构建光子毫米波系统，重点研究量子噪声和非线性效应对毫米波性能的影响、铷原子频标为基准的高频稳光子毫米波产生、基于光频梳和信道化光纤光栅滤波的光子毫米波频率调谐以及相位误差检测与闭环控制机理，搭建光域与电域混合调控、自适应误差补偿的实验验证系统，通过数值分析和实验验证，取得原创性研究成果，为研制高性能光子毫米波集成器件与系统奠定理论基础。

光子毫米波是泛指采用光子学方法产生的高频微波、毫米波甚至太赫兹波，是近年来微波光子技术的研究热点，催生了新型微波光子雷达、卫星光子转发器和大型阵列天线等国家重大项目。光子毫米波虽然克服了电学产生方法“电子瓶颈”对其频率的限制，但其性能，如频率稳定性等难以满足上述重大工程的实际需要。本课题围绕高性能光子毫米波的产生方法进行研究，揭示影响其高频稳和相位波动的物理机理，提出将光子毫米波锁定到高频稳的频标从而提高其频率稳定度并进行了实验验证。通过建立光子毫米波在光纤中传输的稳相模型，根据光子毫米波相位波动还因光纤性能参数受到环境温度和压力等因素影响而变化，提出电域和光域主动补偿方法对随时间累积的相位波动进行调控，进一步稳定其相位波动。. 课题组深入研究了光电振荡器（OEO）产生光子毫米波的机理。提出了一种基于高频稳铷原子频标电注入锁定的单环OEO，改善了OEO输出信号频率的长期稳定度和相位噪声。当光纤长取10km时，获得了中心频率10GHz、边模抑制比大于60dB、相位噪声的指标为-76dBc／Hz@100Hz和-108dBc／Hz@10kHz的输出信号。利用电放大器（AMP）与电功分器和电延迟线（EDL）构成电增益环腔并注入到单环OEO光电振荡环路，提出了一种耦合型主从结构注入锁定光电振荡器，较好解决了OEO边模抑制比与信号相位噪声之间的矛盾，将信号的相位噪声降至为-106.1dBc/Hz@1kHz和-118.2dBc/Hz@10kHz。在已提出的光电振荡器结构基础上，又引入可调谐电滤波器或电可调谐移相器，实现了光电振荡器的频率可调谐。通过调谐电滤波器有效实现了光电振荡器输出频率1.9-17.8GHz可调，通过控制电移相器的偏置电压，实现了光电振荡器输出频率的精细可调。实验获得了调谐步长为100kHz，调谐范围达到340MHz的光电振荡器。为光子毫米波在重大工程中的应用奠定了坚实的基础。. 课题提出了一种基于注入锁定光电振荡器的相位补偿方法。本地对远地的OEO进行远程注入锁定，一方面可实现高频微波与毫米波信号的远距离异地产生，另一方面远地将误差累积反向传送给本地进行相位延迟及波动调控补偿，从而将远地OEO的输出锁定到本地，消除了双向时延的不对称性，使传递精度不受系统的精度限制，为光子毫米波长距离稳相传递提供了具有竞争力的解决方案。