Titelaufnahme

In dieser Arbeit werden die Theorie und die Implementierung der Erzeugung von Mikrowellensignalen auf der Grundlage einer optischen Frequenzreferenz unter Verwendung einer Phasenregelschleife vorgestellt: der optoelektronischen Phasenregelschleife (OEPLL). Der Phasendetektor der OEPLL wird als balancierter optischer Mikrowellen-Phasendetektor (BOMPD) bezeichnet und arbeitet in einer gemischt-elektro-optischen Domäne, da er in der Lage sein muss, die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen zu unterscheiden, die in unterschiedlichen Domänen liegen. Modengekoppelte Laser (MLL) haben gezeigt, dass sie in der Lage sind, optische Pulse mit ausgezeichnetem Kurzzeit-Timing-Jitter zu erzeugen. Der Timing-Jitter der optischen Pulsfolge von MLLs kann weitaus besser sein als der von Quarz- und Oberflächenwellenoszillatoren. Darüber hinaus erzeugen MLLs eine oberwellenreiche Intensitätswellenform, die für die Breitband-Frequenzsynthese verwendet werden kann. Diese Eigenschaften von optischen MLL-Pulsen machen sie zu einem perfekten Kandidaten für die Verwendung als Frequenzreferenz für die Erzeugungrauscharmer HF-Signale. Unter den verschiedenen Techniken zur Erzeugung von Mikrowellensignalen mit MLL ist die OEPLL besonders interessant für die breitbandige Mikrowellenfrequenzsynthese. Daher konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf die Analyse, den Entwurf und die Optimierung der OEPLL. Es wird ein allgemeines Modell der PLL auf Komponentenebene gegeben und dann wird dieses Modell an die OEPLL angepasst. Diese Modellierung auf Systemebene wird dann verwendet, um das Verhalten der OEPLL zu simulieren und das Phasenrauschen zu optimieren. Darüber hinaus wird eine gründliche Analyse des BOMPD durchgeführt, die sich mit verschiedenen Rauschprozessen befasst, die das Phasenrauschen beeinflussen. Die nichtlinearen Mechanismen des BOMPD werden ebenfalls diskutiert.

This work presents the theory and implementation of microwave signal generation based on optical frequency reference using phase-locked loop (PLL) technique, the optoelectronic phase-locked loop (OEPLL). The phase detector of the OEPLL is called balanced optical microwave phase detector (BOMPD). It operates in a mixed-electro-optical domain, as it should be able to discriminate the phase difference between two signals that are in different domains. Mode-locked lasers (MLLs) have shown their potential to generate optical pulses with excellent short-term timing jitter. The timing jitter of the optical pulse train of MLLs can be better than that of the quartz and surface acoustic wave (SAW) oscilla- tors by orders of magnitude. In addition, MLLs generate a harmonic-rich intensity waveform which can be used for wideband frequency synthesis. These features of MLL optical pulses make them a perfect candidate to be used as a frequency reference for ultralow noise RF generation. Among various microwave signal generation techniques using MLL, OEPLL is especially interesting for wideband microwave frequency synthesis. Therefore, this work mainly focuses on OEPLL analysis, design and optimization. A generic model of PLL at component level is given and then this model is adapted to OEPLL. This system-level modeling is then used to simulate the OEPLL response, stabilize the system and optimize the phase noise. In addition a detailed and thorough analysis of BOMPD is provided which addresses different noise processes affecting its phase noise. The nonlinear mechanisms with respect to the optical and RF inputs of BOMPD are also discussed. The nonlinear analysis leads to the discovery of a new operating regime of OEPLL which makes it capable of locking on interharmonics (i.e non-integer harmonics) of the optical reference repetition rate.