光电振荡器的建模与链路设计

作     者：翁靖宇 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毕晓君

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：光电振荡器 锁相环 Veriloga模型 稳定链路 频率补偿 

摘      要：随着现代电子技术的发展,振荡器广泛应用于无线通信、航电控制、微波雷达等系统中。传统的电子振荡器随着工作频率的提高相位噪声不断恶化,而光电振荡器(OEO)具有实现高频超低相位噪声的潜力,对产生高频谱纯度的微波信号有很大的前景。近年来,OEO的研究取得了巨大的进展,但仍然存在着仿真方法复杂、稳定性差、集成度低等一系列问题。为此,本文针对现阶段的OEO存在的性能缺陷与设计难点,提出了新的OEO链路架构和设计方法,具体的研究工作如下:(1)本文论证了基于Veriloga的光学器件建模的可行性和优点,在Cadence平台上实现了激光器、光波导、调制器、移相器、光电探测器等基本光学器件的Veriloga建模,并对分立器件和闭环系统进行了仿真验证。(2)针对光电振荡器的频率稳定性问题,提出了一种基于频率补偿的OEO稳定链路,可实现整个工作频段内的频率锁定。所提出的OEO稳定链路同时采用了三种互补的频率调谐机制,拓展了OEO的锁定范围,从而有效地解决了OEO跳模引起的失锁问题。测得在3～6 GHz的频率范围内Allan方差从自由振荡下的1.7×10提高到了锁定时的1.6×10,在500 m光纤下测得的相位噪声为-110 d Bc/Hz@10 k Hz。(3)基于Cadence平台对OEO的反馈链路进行芯片化设计与仿真,包括基于反相器结构的并联反馈式跨阻放大器、基于R-L-C正交网络的矢量调制式移相器以及基于晶体管垛叠结构的电容并联分压式驱动放大器,实现了OEO反馈链路需要的放大、移相、输出摆幅拓展等功能。仿真得到在4～12 GHz的频率范围内跨阻增益超过75 d BΩ,最大移相度数达360度,最大输出摆幅为4 V。