高质量的微波基准信号是现代电子系统的核心,在诸如测控、通信、感知与雷达等领域中都具有极其广泛的应用场景与重要的应用价值。随着新兴无线通信和各种高频电子系统的快速发展,对振荡器输出信号的性能指标也提出了越来越高的要求——更高的输出频率、更低的相位噪声和更好的稳定度。在传统的微波信号产生方法中,谐振腔是目前微波振荡器的关键技术部分,可以实现电磁能量存储和窄带频谱滤波,是实现低相位噪声的基础,常见的谐振腔包括石英晶体、介质谐振腔和光学谐振腔等等。其中,石英振荡器输出频率仅仅几十兆赫兹,需要通过倍频方式可以得到高频信号输出,相位噪声将严重恶化。电介质振荡器的储能能力会随着频率的升高而线性下降,因此在高频信号的产生方面存在较大限制。随着光子技术的快速发展,新型的光学谐振腔在品质因素、工作频段、抗电磁干扰等方面具有不可替代的优势,这也是新型光电振荡器产生高频、低相位噪声信号的本质基础。与传统振荡器相比,光电振荡器作为一种新型的微波信号发生器,利用光电混合的方法,能产生从几百兆赫兹到一百吉赫兹以上频率范围的高频谱纯度的微波信号。长距离光纤延迟线或光学微腔作为电磁储能元件,可产生极低相位噪声的高品质信号,并且信号的相位噪声与工作频段无关,同时光电振荡器还具有宽带可调谐性,是高频电子系统非常理想的信号发生装置。本文主要工作围绕基于光电振荡器的关键技术以及其应用展开了研究,论文主要创新工作如下:一、分析光电振荡器的噪声来源与理论模型,综合考虑振荡器的储能能力和噪声特性,在提升谐振腔品质因素的同时,抑制光链路噪声与电链路噪声,包括激光器相对强度噪声、光纤的瑞利散射、光电探测器的散粒噪声、电放大器的噪声等。二、为提升光电振荡器在宽带宽温条件下工作的长期频率稳定度,提出了一种基于双并行马赫增德尔调制器的宽带大范围反馈调谐机制,并将该机制与锁相环技术结合进行稳频,在保证光电振荡器宽温环境工作能力与宽带可调谐特性的条件下,有效改善了光电振荡器的长期频率稳定度,测得的平均时间为1000秒的阿伦方差达到了10-10以下,比稳频前提升了4个数量级。相位噪声低频部分有所改善,高频部分不受影响,稳频后微波信号仍具有很高的频谱纯度。三、基于光电振荡器的自振荡特性与外调制结构,提出了一种自振荡的光频梳产生器,并基于级联调制器的原理模型对光频梳的梳齿数、平坦度进行优化。通过合理控制调制深度与射频相位,产生了平坦的11线光频梳,频梳间隔分别为1OGHz与12GHz,平坦度分别为0.82dB与0.93dB。由于光电振荡器的优秀的相位噪声特性,产生的10GHz与12GHz微波信号在10kHz偏移频率处的相位噪声分别为-122dBc/Hz 与-115dBc/Hz。四、基于光电振荡器的自振荡特性与微波光子宽带相位补偿技术,提出了一种自振荡的三角波波形产生器,通过调节双并行马赫增德尔调制器的偏置电压,实现了精确的三角波相位补偿。实验产生了重复频率为4GHz与5.7GHz的三角波脉冲串,经过射频功率控制优化,实现了基波与三次谐波的功率差分别为18.86dB、18.45dB,与理想值19.08dB非常接近;同时,产生的基波信号在10kHz偏移频率处的相位噪声分别为-114dBc/Hz、-122dBc/Hz,说明提出的自振荡环路具有极高的品质因素和极低的相位噪声,远优于同一频段其他的常用微波源;通过微波光子相位补偿技术,产生的全占空比三角波波形与理想三角波波形非常接近,计算得到的均方根误差分别达到了 5.9777e-4、6.0002e-4。