【摘要】：微波信號(hào)及微波頻率梳(Microwave frequency comb,MFC)信號(hào)在通信、軍事、醫(yī)療、信息等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于傳統(tǒng)電學(xué)方法主要是利用二極管、晶體三極管等電子器件的非線性效應(yīng)來產(chǎn)生微波信號(hào)及MFC信號(hào),但受所用電子器件的帶寬限制,基于電學(xué)方法很難獲得高頻的毫米波和寬帶的MFC。同時(shí),通過電學(xué)方法產(chǎn)生的毫米波信號(hào)及MFC信號(hào)還面臨頻率不穩(wěn)定、幅頻特性差、相位噪聲大等問題。針對(duì)上述電子“瓶頸”,光子學(xué)方法以其高速率、大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等特性展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì),因而,探索基于光學(xué)的手段和方法產(chǎn)生高頻純凈毫米波信號(hào)以及寬帶優(yōu)質(zhì)MFC信號(hào)無論從學(xué)術(shù)層面還是從應(yīng)用層面均具有重要意義。由于半導(dǎo)體激光器(Semiconductor laser,SL)具有體積小、重量輕、成本低、可集成、可直接高速調(diào)制等自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在光注入、光反饋、光電反饋等外部擾動(dòng)下能夠輸出單周期、多周期、混沌、頻率鎖定、規(guī)則脈沖、混沌脈沖等豐富的動(dòng)力學(xué)狀態(tài),這些復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)在光生微波、光混沌保密通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)、高速物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生以及MFC獲取等諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用�；诖�,本論文將圍繞SL的非線性動(dòng)態(tài)以及基于SL的高頻毫米波和寬帶MFC生成技術(shù)為選題,探索新穎的高頻低噪單頻微波信號(hào)和寬帶優(yōu)質(zhì)MFC信號(hào)的產(chǎn)生方法。主要工作及研究結(jié)果如下:1.實(shí)驗(yàn)研究了雙光注入SL的非線性動(dòng)態(tài)特性及其演化規(guī)律�；陔p光注入SL的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分析了注入強(qiáng)度及頻率失諧對(duì)激光器輸出不同復(fù)雜動(dòng)力學(xué)態(tài)的影響;討論了不同頻率失諧組合下,雙光注入SL呈現(xiàn)的不同動(dòng)態(tài)類型。結(jié)果表明:在三種不同的頻率失諧組合下,雙光注入SL均存在A、B、C三種動(dòng)態(tài)類型,且每種類型又包括一些典型的非線性動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。再者,A、B、C三種動(dòng)態(tài)類型與兩個(gè)注入光的強(qiáng)度ξ_1和ξ_2密切相關(guān)。當(dāng)注入強(qiáng)度ξ_1和ξ_2均較小時(shí),雙光注入SL呈現(xiàn)C類型動(dòng)態(tài);當(dāng)其中一個(gè)注入強(qiáng)度增加時(shí),雙光注入SL呈現(xiàn)B類型動(dòng)態(tài);當(dāng)注入強(qiáng)度ξ_1和ξ_2均較大時(shí),雙光注入SL一般呈現(xiàn)A類型動(dòng)態(tài)。此外,通過對(duì)雙光注入SL輸出的動(dòng)態(tài)類型在由ξ_1和ξ_2構(gòu)成的參數(shù)空間的分布圖進(jìn)行分析,我們發(fā)現(xiàn):兩個(gè)注入光之間的競(jìng)爭(zhēng)和平衡共同決定雙光注入SL的動(dòng)力學(xué)行為及動(dòng)態(tài)類型,并且雙光注入SL一般歷經(jīng)B類型到A類型、最后到AB類型的動(dòng)態(tài)演變趨勢(shì)。2.提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于SL的高頻純凈60 GHz帶毫米波信號(hào)的產(chǎn)生方案。首先,基于光注入及電流調(diào)制SL的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),探索了低階的1/3和1/4次諧波微波鎖定技術(shù)。研究結(jié)果表明:對(duì)于光注入SL單周期振蕩產(chǎn)生的微波信號(hào),通過引入頻率約為微波信號(hào)頻率的1/3和1/4的次諧波信號(hào)弱調(diào)制光注入下的SL,可使單頻微波信號(hào)的線寬及相噪得到明顯降低。同時(shí),當(dāng)改變調(diào)制功率P_m或調(diào)制頻率f_m時(shí),微波信號(hào)將歷經(jīng)失鎖—鎖定—失鎖的變化過程,且存在一定的P_m或f_m可調(diào)區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)微波信號(hào)能被有效鎖定。基于上述低階的次諧波鎖定技術(shù),進(jìn)一步探索了高階的次諧波鎖定技術(shù),并對(duì)采用1/4和1/9次諧波鎖定技術(shù)獲取高頻純凈60 GHz帶毫米波信號(hào)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于基頻f_0為49.43 GHz(45.02 GHz)的單頻微波信號(hào),在采用1/4(1/9)次諧波調(diào)制以后,一個(gè)頻率高達(dá)61.28 GHz(65.07 GHz)、相噪低于-96dBc/Hz(-98 dBc/Hz)的優(yōu)質(zhì)毫米波信號(hào)被獲取。同時(shí),對(duì)于1/4和1/9次諧波調(diào)制,通過改變調(diào)制頻率f_m并匹配相應(yīng)的調(diào)制功率P_m,可以在實(shí)驗(yàn)上獲得頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高頻低噪60 GHz帶毫米波信號(hào)。3.提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于SL的可調(diào)諧超寬帶MFC的產(chǎn)生方案。對(duì)比了直接調(diào)制SL輸出的種子MFC以及光注入到直接調(diào)制SL以后優(yōu)化輸出的最終MFC的性能;研究了注入功率P_i、調(diào)制頻率f_m、調(diào)制功率P_m變化對(duì)MFC的性能影響。研究結(jié)果表明:對(duì)于直接調(diào)制SL輸出的種子MFC,當(dāng)引入外部光注入以后,從光注入直接調(diào)制SL輸出的最終MFC的性能將明顯提升,MFC的帶寬將顯著增加,相位噪聲將明顯減少。再者,通過研究不同注入功率P_i、調(diào)制頻率f_m、調(diào)制功率P_m對(duì)MFC帶寬的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):MFC帶寬隨P_i、f_m、P_m改變而發(fā)生變化,同時(shí)在適當(dāng)且相互匹配的上述參數(shù)取值下,我們可以獲得可調(diào)諧超寬帶MFC信號(hào)。4.提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于SL的寬帶均衡MFC的產(chǎn)生方案。基于光脈沖注入SL的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分析了直接調(diào)制SL1脈沖振蕩產(chǎn)生的種子MFC以及將光脈沖進(jìn)一步注入到另外一個(gè)SL2輸出的最終MFC的性能;繪制了最終MFC的帶寬隨注入功率P_i及調(diào)制頻率f_m變化的曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于直接調(diào)制SL1輸出的功率不均衡且?guī)拑H為14.4 GHz的種子MFC,進(jìn)一步將該種子MFC注入到另外一個(gè)激光器SL2以后,能夠從光脈沖注入SL2輸出功率均衡且?guī)捀哌_(dá)33.6 GHz的最終MFC,同時(shí)所獲最終MFC具有純凈的譜線特性和較低的相位噪聲。再者,我們也討論了最終MFC的帶寬隨注入功率P_i及調(diào)制頻率f_m變化的趨勢(shì)。結(jié)果表明:隨著注入功率P_i增加,最終MFC的帶寬呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì),且在一定的注入功率范圍內(nèi),能夠獲得功率均衡、帶寬超過30.0 GHz的最終MFC。此外,所獲MFC的梳距也具有廣泛的可調(diào)諧性。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670444