微波、毫米波振荡器是通信、雷达和电子战系统的核心器件,相位噪声是振荡器的关键性能指标之一。传统电子学振荡器的相噪指标已经达到理论极限而难以继续提升。光电振荡器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)是一种结合了微波技术和光子技术的新型振荡器。OEO使用光电谐振腔来代替纯电子学谐振腔,得益于电光调制技术和光纤的低损耗特性,光电谐振腔的品质因子通常很高且不随振荡频率的升高而降低。这预示着OEO在微波、毫米波频段仍然拥有产生极低相噪信号的能力,拥有广阔的应用前景。目前,在OEO相位噪声方面的研究已取得长足进展,但尚不完善,因此有必要对OEO的相噪进行进一步研究。本文将围绕OEO振荡信号的相噪和OEO中器件的残余相噪(Residual Phase Noise,RPN)展开研究,主要的研究内容可概括如下:(1)综述了 OEO相噪的研究现状。列举了 OEO的各种典型结构,对比了不同结构OEO的相噪的特点,同时也研究了现有的OEO相噪理论模型,指出了各种模型的不足之处。(2)对OEO中主要器件的RPN进行了理论和实验研究。在实验中用传统方法测量了微波放大器的RPN,并提出了一种测量光电子器件的RPN的双光源互相关方法。研究了马赫-曾德尔调制器(Mach-zehndermodulator,MZM)和光电探测器(Photodetector, PD)的RPN与其工作点之间的关系。另外还提出了一种测量激光器相对强度噪声(Relative Intensity Noise,RIN)在PD内通过AM-PM转换而引入的相位噪声,测量结果给出了 RIN引入相噪与PD输入光功率之间的关系。(3)研究了微波光纤链路中输出微波信号相噪与群速色散(Group Velocity Dispersion,GVD)的关系,建立了输出微波信号的相噪与GVD之间关系的理论模型。提出了一种测量微波光纤链路RPN的双音互相关方法,这种方法最多可以将基于传统方法的测量系统噪底降低20 dB,缓解了传统方法无法测量大延时装置RPN的缺陷。基于该方法测量了微波光纤链路的RPN与GVD的关系,测量结果表明由于GVD,当光纤长度从1m增加到6 km时,微波光纤链路在10 kHz频偏处的RPN恶化了接近10 dB,验证了本文所建理论模型的正确性。(4)在相位域内建立了单环自由振荡OEO相噪的理论模型。该模型建立了OEO振荡信号的相噪与环路内器件RPN的关系。将该相位域模型与经典的准线性模型进行对比,表明相位域模型在近载频处更加准确。另外,研制了一种基于延时自零差法的双通道互相关相噪测量系统,系统噪底可达到-130 dBc/Hz@lkHz和-170 dBc/Hz@l0kHz。用自研测量系统测量了单环OEO的相噪,研究了光电混合链路的RPN对单环OEO相噪的影响,研究结果与相位域理论模型相符。(5)提出了一种注入锁相结构的OEO。一方面利用注入锁定来改善OEO的近载频相噪以及边模抑制比,另一方面将OEO的输出信号与外注入源进行鉴相,通过锁相环来提升频率稳定性,并进一步改善OEO的近载频相噪。这种结构可以使得OEO同时具有单模振荡、低相噪和高频稳的特性。建立了注入锁相OEO相噪的相位域模型,该模型表明注入锁相OEO的相噪与注入源相噪、注入源功率、锁相环带宽和OEO环内器件的RPN有关。(6)研制了注入锁相OEO样机并对其进行实验研究,其中包括激光器温控与驱动电路、调制器偏置控制电路、锁相控制电路和光纤温控盒等配套装置的研制。对比了注入锁相OEO、注入锁定OEO和自由振荡OEO的相噪,对比结果显示了注入锁相结构的优越性。研究结果还表明注入源功率越大,注入锁相OEO的远载频相噪就越接近注入源的远载频相噪。注入锁相OEO在电滤波器中心频率为9.6 GHz、3 dB带宽为20 MHz和光纤环长度为6 km的情况下,实现了输出信号频率为9.6 GHz的单模稳定振荡。当注入锁定带宽为1.98 kHz时,OEO输出信号在1 kHz频偏处的相位噪声为-125dBc/Hz,在10 kHz频偏处的相位噪声为-147dBc/Hz,杂散抑制度高于80dBc,阿伦偏差接近1.37×10-11@ls,长期频率稳定度接近0.1 ppm。