基于受激布里渊散射的宽带微波光子移相器基础研究

A broadband microwave photonic phase shifter with phase shift tunable in a large range is a key component for real-time processing of broadband microwave signals. It is useful in both military and civil field. Therefore, it has both scientific and applied significance to research on the implementation mechanism and technique of a broadband microwave photonic phase shifter. This project focuses on the research of a new kind of broadband microwave photonic phase shifter based on stimulated Brillouin scattering. In this method, the microwave signal that needs to be phase shifted is first added to the optical carrier through single-sideband modulation. Then, the phase difference between the carrier and the sideband is tuned through modifying the phase of the carrier using Brillouin slow/fast-light effect, where the amplitude and the phase of the sideband far from the narrow intrinsic Brillouin gain/loss spectrum are not influenced. Due to the controllable phase difference between the carrier and the sideband, a broadband microwave photonic phase shifter with a tunable phase shift is realized. In this project, the theoretical model of the amplitude/phase frequency response characteristics in the Brillouin slow/fast-light should be first established, and the approach to realizing a broadband microwave photonic phase shifter should be studied. Then, the method and the key techniques for improving the phase shift tuning range should be investigated. Finally, the optimum design of the broadband microwave photonic phase shifter should be finished. The achievement of this project will promote the use of stimulated Brillouin scattering in microwave photonic signal processing.

相移量大范围可调谐的宽带微波移相器是实现宽带微波信号实时处理的关键器件，在军事和民用领域均有着广泛的用途，因此研究其实现机理和方法具有重要的科学意义和应用价值。本项目旨在研究一种基于受激布里渊散射效应实现宽带微波光子移相器的新方法，拟通过单边带调制技术将微波信号加载到光载波上，利用本征布里渊增益/损耗谱窄的特点，通过布里渊快/慢光效应改变载频信号的相位而不对远离增益/损耗谱的调制边带信号幅频和相频特性造成影响，实现载频信号与各调制边带信号之间的相位差调谐，从而实现相移量可连续调谐的宽带微波光子移相器。为此，将首先建立布里渊快/慢光幅频和相频特性的理论模型，研究实现宽带微波光子移相器的基本途径；其次，研究提高相移量调谐范围的新方法及关键技术；最后，完成宽带微波光子移相器最佳工作性能的优化设计。项目的研究成果将促进受激布里渊散射在微波光子信号处理领域的发展。

相移量在360度范围内连续可调谐的宽带微波移相器是实现宽带微波信号实时处理的关键器件，在军事和民用领域均有着广泛的用途。针对传统微波移相器工作带宽和相移量不足的问题，本项目开展了微波光子移相器的研究工作，重点对基于受激布里渊散射的宽带微波光子移相器进行了基础研究，主要完成的研究工作包括以下三个部分：1、完善了描述光纤中受激布里渊散射过程的光波-声波耦合理论模型，并基于该理论模型对小信号增益和泵浦光“消耗”情况下布里渊快光和慢光效应的幅频和相频特性进行了研究，结果表明：在小信号增益情况下，布里渊快光和慢光效应的相移量相当，而在泵浦光“消耗”情况下，布里渊快光效应的相移量增大，布里渊慢光效应的相移量减小，布里渊快光效应更有利于实现大相移量；2、对各种基于布里渊快光和慢光效应的宽带微波光子移相器方案进行了研究，确定了布里渊快/慢光效应结合实现大相移量宽带微波移相器的技术方案，理论和实验结果表明：通过改变控制光与单边带调制光载微波信号载频之间频率失谐量的方法比通过改变控制光功率的方法具有更大的相移量调谐范围，前者可对频率位于几十MHz-20GHz范围内的宽带微波信号实现360度范围内相移量的连续调谐；3、研究了控制光“消耗”、单边带调制光载微波信号残余边带、光纤色散等对布里渊快/慢光效应结合的微波移相器相移量和功率增益等性能的影响，确定了布里渊快/慢光效应结合的宽带移相器优化方案，理论和实验结果表明：控制光“消耗”不影响相移量，但是会导致相移范围内微波功率的波动，为了获得良好的宽带移相性能，应该尽量避免控制光“消耗”，单边带调制的残余边带抑制比应高于30dB，增益光纤的长度应尽量短并且群速度色散量应尽量低（例如：相移误差低于1度要求群速度色散低于2.2ps2），硫化物等具有高布里渊增益系数的光波导是布里渊快/慢光效应结合的宽带移相器的理想增益介质。项目的研究成果不仅对宽带微波光子移相器的研究具有重要参考价值，而且对于受激布里渊散射效应应用于微波光子信号处理具有参考价值。