微波光子學(xué)研究的進(jìn)展

                                                                                        微波光子學(xué)研究的進(jìn)展 

作者：謝世鐘，陳明華，陳宏偉
英文關(guān)鍵字:microwave photonics; key technology; system application
關(guān)鍵字:微波光子學(xué)；關(guān)鍵技術(shù)；系統(tǒng)應(yīng)用

摘要:微波光子學(xué)注重微波與光子在概念、器件和系統(tǒng)的結(jié)合，典型研究包括微波信號的光產(chǎn)生、處理和轉(zhuǎn)換，微波信號在光鏈路中的分配和傳輸?shù)取Ｆ溲芯砍晒龠M(jìn)了新技術(shù)的出現(xiàn)，如光載無線(RoF)通信、有線電視(CATV)的副載波復(fù)用和光纖傳輸、相控陣?yán)走_(dá)的光控波束形成網(wǎng)絡(luò)以及微波頻域的測量技術(shù)等.
英文摘要:In microwave photonics, the combination of concepts, devices and system is emphasized. Its typical research includes: photonic microwave generation, photonic signal processing and conversion, distribution of microwave signals in optical links, and so on. These research results promote new technologies such as Radio over Fiber (RoF) communications, the subcarrier multiplex and fiber transmission of Cable Television (CATV), optical control beam forming network in phased array radar, test technologies in microwave frequency, and so on.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(60736002、60807026)

1 微波光子學(xué)產(chǎn)生的背景 

    光波分復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)和摻鉺光纖放大器的發(fā)明使光通信得到迅速發(fā)展。光纖通信具有損耗低，抗電磁干擾，超寬帶，易于在波長、空間、偏振上復(fù)用等很多優(yōu)點，目前已實現(xiàn)了單路40～160 Gb/s、單根光纖10 Tb/s的傳輸。
隨著容量傳輸速率的不斷提高，光纖系統(tǒng)需要在光發(fā)射和接收機(jī)中采用微波技術(shù)。 

    與此同時，隨著對無線通信容量需求的增加，微波技術(shù)也在迅速發(fā)展。微波通信能夠在任意方向上發(fā)射、易于構(gòu)建和重構(gòu)，實現(xiàn)與移動設(shè)備的互聯(lián)；蜂窩式系統(tǒng)的出現(xiàn)，使微波通信具備高的頻譜利用率。但目前微波頻段的有限帶寬成為嚴(yán)重問題，人們開始考慮30～70 GHz新頻段的利用。60 GHz光載無線(ROF)系統(tǒng)由于接入速率高和不需要另外申請牌照等優(yōu)點正成為寬帶接入的熱門技術(shù)。60 GHz信號在大氣中的傳輸損耗高達(dá)14 dB/km，意味著在蜂窩移動通信中信道頻率可更加頻繁地重復(fù)使用。但傳統(tǒng)的微波傳輸介質(zhì)在長距離傳輸時具有很大損耗，而光纖系統(tǒng)具有低損耗、高帶寬特性，對于微波傳輸和處理充滿吸引力。 

    光纖技術(shù)與微波技術(shù)相互融合成為一個重要新方向。從理論上來講，微波技術(shù)和光纖技術(shù)的理論基礎(chǔ)都是電磁波波動理論。在光電器件中，當(dāng)波長足夠小時要考慮波動效應(yīng)，采用電磁波理論來設(shè)計和研究光電器件，如波導(dǎo)型或行波型器件。理論基礎(chǔ)的統(tǒng)一，使得微波器件和光電子器件可使用相同材料和技術(shù)在同一芯片上集成，這極大促進(jìn)了兩個學(xué)科的結(jié)合，促進(jìn)了一門新的交叉學(xué)科——微波光子學(xué)的誕生。 

    微波光子學(xué)概念最早于1993年被提出[1]。其研究內(nèi)容涉及了與微波技術(shù)和光纖技術(shù)相關(guān)的各個領(lǐng)域[2]。主要集中在兩方面：一是解決傳統(tǒng)的光纖通信技術(shù)向微波頻段發(fā)展中的問題，包括激光器、光調(diào)制器、放大器、探測器和光纖傳輸鏈路的研究；二是利用光電子器件解決微波信號的產(chǎn)生和控制問題，主要有光生微波源、微波光子濾波器、光域微波放大器、光致微波電信號的合成和控制等。

2 微波光子學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù) 

2.1 利用光學(xué)方法產(chǎn)生微波信號 

    微波通信向30～70 GHz高頻率的發(fā)展對傳統(tǒng)微波器件是很大的挑戰(zhàn)，此時利用光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生微波信號展現(xiàn)出很大吸引力。利用光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生微波的方法有多種，最簡單的原理是光外差法。設(shè)兩個光波的頻率、相位和功率分別為?棕 1、?棕 2，?準(zhǔn) 1、?準(zhǔn) 2和P 1、P2。當(dāng)兩束頻率相近，偏振態(tài)相同的光波同時入射到高頻光探測器上進(jìn)行拍頻時，可以得到的輸出電流為： 

    其中R為探測器的光電轉(zhuǎn)換效率。不難看出，通過拍頻可產(chǎn)生頻率為|?棕 1-?棕 2|的微波信號，且產(chǎn)生信號的頻率和相位不僅由兩束光的頻率差決定，也與相位差有關(guān)。為保證微波信號相位噪聲低和穩(wěn)定性，要求兩束光有很高的相干性。為此近年來報道了許多用以消除激光器產(chǎn)生相位噪聲的新方法。主要有光注入鎖定法[3]、光學(xué)鎖相環(huán)法[4]。但是光注入鎖相法的鎖定范圍很小，典型值為幾百兆赫茲。光學(xué)鎖相環(huán)方法要求從激光器要跟得上主激光器的相位變化，這需要很小的環(huán)路延遲，兩種方法還都需要外加穩(wěn)定的微波信號源，這增加了成本，不利于實用化和產(chǎn)品化。 

    利用集成技術(shù)，可將兩個激光器做在一起。這樣兩束光產(chǎn)生于同一增益介質(zhì)中，相干性好，可避免采用鎖定技術(shù)。1995年，英國電信研究院的David Wake利用多縱模DFB激光器中的兩個縱模進(jìn)行拍頻，獲得了42 GHz信號的輸出。
近來利用雙波長光纖激光器的技術(shù)正在發(fā)展。光纖激光器結(jié)構(gòu)輕巧，成本低。一般的光纖激光器中增益介質(zhì)多采用摻鉺光纖，具有均勻加寬特性。人們采用了各種方法抑制均勻加寬導(dǎo)致的模式競爭實現(xiàn)了雙波長光纖激光器，并產(chǎn)生出3～60 GHz不等的微波信號。如利用低溫抑制均勻加寬[5]，分布色散腔，偏振燒孔，空間燒孔，部分分離結(jié)構(gòu)雙波長DFB光纖激光器[6]等。 

    另一種光生微波方法則利用光外調(diào)制技術(shù)[7]，如圖1所示。外調(diào)制器為強(qiáng)度或相位調(diào)制器。如為線性調(diào)制，可產(chǎn)生2倍于調(diào)制頻率的差頻信號。如采用深調(diào)制技術(shù)，可產(chǎn)生4倍調(diào)制頻率的微波信號。利用光外調(diào)制方法的優(yōu)點是通過改變微波調(diào)制信號的頻率能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的可調(diào)諧。與前一種方法相比，這種方法產(chǎn)生的微波信號的穩(wěn)定性和相位噪聲取決于微波調(diào)制信號和調(diào)制器，對器件要求相對較低。2005年，加拿大姚建平研究小組提出利用大微波輸入功率驅(qū)動一個鈮酸鋰調(diào)制器再用一個光纖光柵濾波器濾去光載波分量可獲得兩個光邊帶，拍頻后獲得了32～50 GHz寬帶可調(diào)的毫米波信號。中國近年在這方面有了很多報導(dǎo)，結(jié)合利用非線性光子器件的倍頻效應(yīng)，可產(chǎn)生頻率在6～60 GHz范圍的微波信號[8]。 

    需要注意的是，由于高頻電子器件的進(jìn)步，目前市場上已有60 GHz以下商品微波源模塊出售，光生微波的方法應(yīng)向更高頻率發(fā)展才能體現(xiàn)自己的優(yōu)勢，目前最高頻率的報導(dǎo)是產(chǎn)生了1 000 GHz、25 ?滋W的拍頻輸出[9]，進(jìn)入了太赫茲技術(shù)領(lǐng)域。此外，利用半導(dǎo)體光放大器的增益飽和恢復(fù)特性及光學(xué)偏振調(diào)制、色散效應(yīng)等在光域產(chǎn)生并傳輸超寬帶脈沖信號，仍然是有吸引力的。它能為光載超寬帶(UWBOF)通信提供與光纖系統(tǒng)兼容性良好的UWB脈沖光源[10]。
2.2 光調(diào)制器 

    用光纖傳輸微波副載波信號對光調(diào)制器提出了適應(yīng)調(diào)制的新要求。直接調(diào)制技術(shù)簡單，它通過改變半導(dǎo)體激光器注入電流將微波副載波信號直接加載到光波上。直接調(diào)制帶寬受到激光器諧振頻率的限制。采用量子結(jié)構(gòu)能夠減小半導(dǎo)體激光器的閾值電流，增加微分增益，提高帶寬。為了進(jìn)一步增加帶寬，需要減小光子壽命和增益壓縮系數(shù)。但是由于增益壓縮系數(shù)的限制，在室溫下直接調(diào)制帶寬很難超過30 GHz。 

    為能將60 GHz左右或更高的微波信號調(diào)制到光載波需要采用外調(diào)制技術(shù)。采用行波結(jié)構(gòu)的LiNbO3調(diào)制器，可實現(xiàn)70 GHz的帶寬[11]。也可采用電吸收調(diào)制器，由于其體積小、驅(qū)動電壓低，便于與激光器、光檢測器等集成為一體，是很有發(fā)展前景的一種光調(diào)制器件。 

    在調(diào)制技術(shù)方面有一些靈活變通的方法，如頻率上轉(zhuǎn)換法和光外差法。頻率上轉(zhuǎn)換法將較低頻率的微波信號調(diào)制到光上傳輸，在基站實現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)化，得到高頻微波信號，這樣雖降低了光調(diào)制器的要求，但增加了基站的復(fù)雜程度；光外差法通過傳輸兩路具有一定頻率差的光信號，光上調(diào)制有基帶信號，在基站將兩個光波拍頻得到微波信號，但這種方法將受到光纖色散的影響。 

2.3 光探測器 

    在微波光子學(xué)中實用的光探測器必須具有與常規(guī)光通信系統(tǒng)要求不同的性能：一是高速率；二是高功率輸出，即高的飽和工作點；三是在器件上直接轉(zhuǎn)換為微波功率，并從微波天線發(fā)射出去。目前能夠滿足上述要求的器件稱為單一渡越載流子光電二極管(UTC-PD)。在這一器件中只有電子被利用為激活載流子，而空穴被限制在一定的區(qū)域。利用電子的高遷移率，大大提高了器件的響應(yīng)速率。并采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加光吸收的作用長度；設(shè)計最佳的傳輸線阻抗，獲得高響應(yīng)速率和高的飽和功率。據(jù)報道，已獲得1.55 ?滋m波段1.5 THz信號的檢測，并有了將UTC-PD與發(fā)射天線或與調(diào)制器做成單片集成器件的報導(dǎo)。 

2.4 微波光子濾波器 

    微波光子濾波器是光子信號處理技術(shù)的重要內(nèi)容。在電域內(nèi)處理信號受頻帶和采樣頻率的限制，處理速度和精度都受到影響，稱為電子“瓶頸”。微波光子濾波器提供了一種解決傳統(tǒng)“瓶頸”問題的新方法。輸入的射頻(RF)信號通過調(diào)制器調(diào)制到光信號上，RF信號的處理在光域進(jìn)行，最后通過光接收器輸出濾波后的微波信號。采用這種方法的優(yōu)點是：低損耗、高帶寬、不受電磁干擾、重量輕和支持高采樣頻率，使用波分復(fù)用技術(shù)還提供了空間和波長并行處理的可行性。 

    微波光子濾波器起初應(yīng)用于需要高速信號處理能力的雷達(dá)系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域。隨著ROF系統(tǒng)研究的深入，微波光子濾波器在通信系統(tǒng)中特別是在毫米波ROF系統(tǒng)中得到應(yīng)用。目前國際上的研究集中在設(shè)計新型濾波器結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)Q值更高的頻率響應(yīng)、負(fù)抽頭系數(shù)、可調(diào)性、可重構(gòu)和更大的動態(tài)范圍等。傳統(tǒng)的方法有兩種：第一種方法是用電差分的結(jié)構(gòu)，早在1995年便實現(xiàn)了此種結(jié)構(gòu)，但此種方法可調(diào)性和可重構(gòu)性很差，而且受電器件帶寬限制；第二種方法是利用復(fù)雜的光電器件實現(xiàn)全系數(shù)的濾波器，但此種方法成本很高。最近，很多新型低成本的結(jié)構(gòu)被報導(dǎo)用來實現(xiàn)具有負(fù)系數(shù)的微波光子濾波器。其中利用偏振態(tài)和外調(diào)制器的方法最有吸引力[12]。另一方面，在ROF系統(tǒng)中，微波光子濾波功能和其他信號處理功能的結(jié)合將會大大降低系統(tǒng)成本和加強(qiáng)功能集中化。 

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 

    在某些模擬系統(tǒng)如雷達(dá)和寬帶通信系統(tǒng)中，采用數(shù)字信號處理方法具有更好性能和快速重構(gòu)性。電域中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的弱點隨頻率的升高逐漸明顯，原因在于CMOS數(shù)字轉(zhuǎn)化器受采樣時鐘抖動、采樣保持電路穩(wěn)定時間、比較器的處理速度等因素的限制。數(shù)字信號處理中可用的100 GHz抽樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器很難實現(xiàn)。微波光子學(xué)提出的方法稱為光學(xué)時間拉伸，抽樣頻率可達(dá)480 GHz，并有96 GHz的帶寬[13]。光學(xué)時間拉伸的基本原理是利用光子處理過程減慢電信號速度以改善電域中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。光處理過程有3步：波長-時間轉(zhuǎn)換、波長域處理、波長-時間映射。轉(zhuǎn)換后的慢速電信號可用常規(guī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)進(jìn)行變換。 

2.6 光域微波放大器 
 
   利用常見的摻鉺光纖放大器的增益和光與微波的相互作用可在光域?qū)崿F(xiàn)對微波信號進(jìn)行放大，如圖2所示。由外腔激光器輸出的直流光在強(qiáng)度調(diào)制器中被輸入的微波信號調(diào)制。調(diào)制器的直流偏置點穩(wěn)定在半波電壓附近，輸出的光信號經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后被光帶通濾波器濾除自發(fā)輻射噪聲，最后輸入光接收機(jī)恢復(fù)出放大后的微波信號。實驗結(jié)果表明，在微波頻率恒定為4 GHz的情況下，隨著輸入微波信號的增大，微波增益始終穩(wěn)定在17 dB左右，顯示出很好的穩(wěn)定性，而輸出微波信號的信噪比則會隨之提高。
2.7 克服微波副載波對光纖傳輸鏈路的影響 
 
   微波在光纖中的傳輸特性是微波光子學(xué)的重要研究內(nèi)容，早在應(yīng)用混合同軸電纜-光纖系統(tǒng)傳輸模擬的有線電視(CATV)信號的時候，鏈路傳輸特性就是關(guān)注的重點，相應(yīng)的理論模型已被用來分析ROF鏈路的傳輸特性。在比CATV更高速的ROF鏈路中，光纖色散成為限制傳輸距離的主要因素，PMD和各種非線性效應(yīng)也更加明顯。對于色度色散，一般認(rèn)為可通過在光域進(jìn)行單邊帶調(diào)制技術(shù)加以解決。其中最直接的方法是用光纖光柵濾波獲取光單邊帶信號，但濾波器本身也會為系統(tǒng)引入色散。研究表明，外調(diào)制器的非線性嚴(yán)重限制著整個微波鏈路的動態(tài)范圍，一個較大的發(fā)射功率引起的交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng)會進(jìn)一步加重對系統(tǒng)性能的惡化[14]。另一方面，不同數(shù)字調(diào)制格式的信號，對毫米波光纖傳輸鏈路的指標(biāo)要求大不相同，因此微波光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸各種調(diào)制格式如正交移相鍵控(QPSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)和用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)時基帶數(shù)字信號和中頻信號時的鏈路特性，是近期研究的熱點內(nèi)容。 

3 系統(tǒng)應(yīng)用 

    微波光子學(xué)最早的系統(tǒng)應(yīng)用是1970年代末在位于美國洛杉磯北面莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡(luò)”。深空網(wǎng)絡(luò)是一個分布在數(shù)十公里范圍內(nèi)的由十多個大型碟形天線組成的集群，其中最大天線的直徑達(dá)70 m。這些天線之間建立了一個光纖傳輸系統(tǒng)以傳遞1.420405752 GHz超穩(wěn)定微波參考信號。所有天線單元由這一頻率同步，利用相控陣的概念使它們工作得像一個巨大的天線一樣，從而能夠與外太空的空間飛船保持通信和跟蹤。其后在1990年代，借助微波光子學(xué)技術(shù)的混合同軸電纜-光纖CATV系統(tǒng)也取得商業(yè)上的成功。 

    近年來微波光子學(xué)的重要應(yīng)用目標(biāo)是利用光纖進(jìn)行無線通信的微波載波信號的傳輸。即研究光纖內(nèi)射頻傳輸系統(tǒng)，即如光載無線(ROF)通信系統(tǒng)。ROF結(jié)合了微波和光纖通信的優(yōu)勢，使得微波在光纖中實現(xiàn)了低損耗傳輸。ROF可用于實現(xiàn)中心局與各個微蜂窩天線之間的信號傳送和分配。其優(yōu)點在于可將復(fù)雜的微波處理單元放置于中心局，而基站部分僅只有光電轉(zhuǎn)換單元和微波發(fā)射天線兩部分，基站結(jié)構(gòu)簡單可大大降低成本，有利于提高頻率復(fù)用度和蜂窩密度。ROF技術(shù)對于頻率和調(diào)制格式完全透明，頻率和調(diào)制格式變化時不需要改變基站，只需對中心站進(jìn)行升級，非常有利于無線通信網(wǎng)絡(luò)的升級換代。 

    英國電信D.Wake小組于1997年建立起早期的60 GHz ROF系統(tǒng)，能同時承載模擬的衛(wèi)星電視信號和數(shù)字信號，其中60 GHz毫米波信號是基于主從結(jié)構(gòu)激光器鎖頻的光學(xué)拍頻產(chǎn)生的。隨后韓國世宗大學(xué)于2006年構(gòu)建了中頻傳輸遠(yuǎn)端混頻的60 GHz ROF系統(tǒng)，方案采用在光纖中傳輸中頻信號，而在遠(yuǎn)端機(jī)站實現(xiàn)混頻以避免光纖鏈路色散的影響。最近美國喬治亞理工學(xué)院G.K.Chang教授通過與波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建了2.5 Gb/s 40 GHz的WDM-ROF系統(tǒng)[15]。在這個結(jié)構(gòu)中最大的特點是不再有中頻(IF)信號，因而能夠傳輸?shù)幕鶐盘柌辉偈苤蓄l的影響，在基站設(shè)計方面，實現(xiàn)了基站的無光源化，簡化了基站的設(shè)計。在ROF系統(tǒng)研究領(lǐng)域，日本的研究機(jī)構(gòu)具有強(qiáng)大實力，主要他們在高性能LiNbO3調(diào)制器和UTC-PD等新型光電子器件研發(fā)上具有優(yōu)勢。2007年日本NTT公司報道了在125 GHz ROF系統(tǒng)中實現(xiàn)10 Gb/s數(shù)字基帶信號無誤碼傳輸?？梢奟OF系統(tǒng)設(shè)計將向全雙工、波分復(fù)用、功能集成、低成本和高速率方向發(fā)展。中國的研究者近兩年已取得很大進(jìn)步，完成60 GHz毫米波有線無線混合光傳輸?shù)南到y(tǒng)實驗[16]；32 GHz ROF高清電視業(yè)務(wù)傳輸平臺的建立；光OFDM信號ROF系統(tǒng)的研究[17]等。 
 
   軍事方面的應(yīng)用是微波光子學(xué)的重大研究領(lǐng)域。它在相控陣?yán)走_(dá)、雷達(dá)天線光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)等應(yīng)用中有明顯的優(yōu)點[18]。如光控微波波束形成網(wǎng)絡(luò)利用光控實時時延器件以饋線網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)對多信道微波信號進(jìn)行功率分配、移相、功率合成等處理，實現(xiàn)對微波信號空間分布的控制。光控寬帶相控陣?yán)走_(dá)具有掃描速度快，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，能大幅度減小體積和重量，十分適用于機(jī)載、艦載雷達(dá)系統(tǒng)。改技術(shù)在通信中的應(yīng)用是光控智能天線。智能天線是一種多天線技術(shù)，采用天線陣列形成可控的波束，指向并隨時跟蹤用戶。它具有增加通信容量和速率、減少電磁干擾、減少手機(jī)和基站發(fā)射功率，并具有定位功能的優(yōu)點；能減少多徑衰落影響，獲得更多的用戶數(shù)或更高的數(shù)據(jù)率。
微波光子學(xué)的研究成果也廣泛應(yīng)用到智能交通，高速公路交通通信系統(tǒng)[19]和超高速列車通信系統(tǒng)中?；赗OF的交通通信系統(tǒng)能夠支持快速的交接管理和動態(tài)帶寬分配，在移動通信、車輛通信領(lǐng)域具有強(qiáng)大的競爭力。
4 結(jié)束語 

    過去30年中，微波光子學(xué)在理論、器件、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用層面都取得了發(fā)展，某些應(yīng)用已實現(xiàn)了實用化[20]。微波技術(shù)與光電子技術(shù)是推動信息技術(shù)進(jìn)步的兩大重要學(xué)科。微波技術(shù)發(fā)展至今，在通信、國防等諸多方面獲得了卓越的成就；光電子技術(shù)尤其是光通信在近30年來具有生機(jī)蓬勃的新技術(shù)增長點，把通信系統(tǒng)的速度和容量提高到了前所未有的程度。兩者的相互融合，必將對現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 
 
   作為一門新興的交叉學(xué)科，微波光子學(xué)有著廣泛的應(yīng)用前景。除了在有線電視、ROF通信和雷達(dá)中的應(yīng)用外，微波光子學(xué)未來可能的應(yīng)用還包括廣播、無線多媒體業(yè)務(wù)、高清視頻流、吉比特?zé)o線局域網(wǎng)、個域網(wǎng)、光探測與測量和射電天文學(xué)等，并可期待在太赫茲技術(shù)、高靈敏度傳感和量子密鑰分配等領(lǐng)域獲得進(jìn)一步研究與發(fā)展。
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