Kip-Kilitlemeli Lazerlerin Faz Gürültüsü Filtreleme Özellikleri

Abstract

Kip kilitlemeli lazerler son 20 yılda giderek artan bir ilgiye maruz kalmıştır. Eskiden sadece çok kısa optik atım kaynağı olarak bilinen kip kilitlemeli lazerlerin uygulamaları biyomedikal[1], mikro-işlem[2], algılama[3] ve RF/mikrodalga[4] iletişimi gibi konulara genişlemiştir. Bu tezde, kip kilitlemeli lazerlerin RF/mikrodalga iletişimi konusuna odaklanılmıştır. RF iletişim sistemlerindeki en yaygın problemlerden birisi sinyal temizliğidir. Osilatörlerin doğasından dolayı RF sinyallere her zaman istenmeyen bazı tonlarda eşlik ederler. Bu gürültü tonlarının RF sistemlerinin performansları üzerine büyük etkileri vardır. Özellikle yüksek hızlı iletişim, RADAR ve elektronik harp gibi uygulamalarda düşük gürültülü RF sinyaller büyük önem taşımaktadırlar. Bu sebeple düşük gürültülü RF sinyallerin üretimi de oldukça kritiktir. Bu kritik probleme optik metotlar ile çözüm sunulmuştur. Optik metotlar ile RF sinyal üretimi için frekans sabitlenmiş kip kilitlemeli lazerler[5], faz kilitleme döngülü osilatörler[6] ve optoelektronik osilatörler [7] gibi farklı metotlar önerilmiştir. Bu tez çalışmasında düşük gürültülü RF sinyalin optik metotlar ile üretilmesi yerine optik metotlar ile gürültü filtrelenmesi gibi yenilikçi bir yöntem önerilmiş ve gösterimi yapılmıştır. Bu tezin ilk iki bölümünde kip kilitlemeli lazerler ve düşük faz gürültülü osilatörler hakkında kısa giriş bilgisi verilmiştir. Daha sonra önerilen sistemin deneysel düzeneği ve deneysel sonuçları Bölüm 3'te verilmiştir. Bölüm 4'de ise gürültü filtrelemenin analizi yapılmış ve kısıtlamaları gösterilmiştir. Faz gürültüsü bir frekans alanı terimidir. Bu terimin zaman birimindeki ismi zamandaki belirsizliği tanımlayan jiterdir. Bit hata oranını hesaplanması gibi uygulamalar için bu jiter değerinin olasılık dağılım fonksiyonunun hesaplanması gerekir. Bölüm 5'te faz gürültüsü datası kullanılarak jiter olasılık dağılımı hesaplanmıştır. Bu işlemin kolaylıkla yapılması için de bir arayüz geliştirmiştir. Son bölüm ise bazı notlar ve bu alandaki bazı olası çalışmaları içermektedir.The subject of Mode-Locked Lasers has experienced a massive growth over the last two decades. Previously meant as the source of ultra-short optical pulses, its concepts have recently expanded to be applicable in areas beyond Optics such as Biomedical[1], Micro-machining[2], Sensing[3] and RF/Microwaves communication[4]. In particular this thesis focuses on application of Mode-Locked Lasers in RF/Microwave communications. One of the common problems with RF communication systems is signal integrity. Due to the nature of oscillation systems that are used to produce RF signals there is always an inevitable amount of undesirable signal associated with main signal being generated. These spurious (noise) signals have significant effect on the efficient performance of particular RF system. Low noisy RF signals are highly desirable and have many applications in high speed communication, RADAR and electronic warfare. Therefore it is critical to have an efficient means of producing low noise RF signals. Generating RF signals by Optical means has emerged as a major solution to this problem. Various methods for optically generating lower noise RF signals of high frequency have been developed such as frequency stabilized mode-locked lasers[5], phase locked loop based oscillators[6] and optoelectronic oscillators[7]. In this thesis a novel approach to this problem is presented, instead of generating lower noise signals a unique method of efficiently filtering the noise of RF signal using Mode-Locked Laser is explained. The first two chapters give brief introduction to mode-locked lasers and phase noise in oscillator, the concepts which will be used throughout this thesis. Then the experimental setups of the proposed system with the results obtained are presented in Chapter 3. Furthermore, theoretical study and analysis of limitations of this method is presented in Chapter 4. This includes analysis of these limitations as well as supporting simulations results. Phase noise is frequency domain term which in time domain is referred to as jitters. For various applications it is necessary to determine total jitters value of the system in order to estimate its bit error rates and other performance features. Chapter 5 of this thesis is dedicated to introducing jitter concept and a numerical method of converting a phase noise spectrum into jitter Probability Density Function (PDF).Together with the MATLAB code for aforementioned simulation a special GUI (Graphical User Interface) has been developed for the purpose of converting any given phase noise spectrum into its corresponding jitter PDF. The last chapter gives some concluding remarks and look at the possible futures of this work.