【無線射頻通信】-微波光子學(xué)研究的進(jìn)展

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----微波光子學(xué)研究的進(jìn)展1微波光子學(xué)產(chǎn)生的背景

光波分復(fù)用技術(shù)的消失和摻鉺光纖放大器的創(chuàng)造使光通信得到快速進(jìn)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)用等許多優(yōu)點(diǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)了單路40～160Gb/s、單根光纖10Tb/s的傳輸。

隨著容傳輸速率的不斷提高，光纖系統(tǒng)需要在光放射和接收機(jī)中采納微波技術(shù)。

與此同時，隨著對無線通信容量需求的增加，微波技術(shù)也在快速進(jìn)展。微波通信能夠在任意方向上放射、易于構(gòu)建和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與移動設(shè)備的互聯(lián)；蜂窩式系統(tǒng)的消失，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)峻問題，人們開頭考慮30～70GHz新頻段的利用。60GHz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(diǎn)正成為寬帶接入的熱門技術(shù)。60GHz信號在大氣中的傳輸損耗高達(dá)14dB/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布滿吸引力。

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)，采納電磁波理論來設(shè)計和討論光電器件，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]。其討論內(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)向微波頻段進(jìn)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討論；二是利用光電子器件解決微波信號的產(chǎn)生和掌握問題，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掌握等。

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30～70GHz高頻率的進(jìn)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)生微波信號呈現(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，最簡潔的原理是光外差法。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P1、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打算，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。為此近年來報道了很多用以消退激光器產(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，不利于有用化和產(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，可避開采納鎖定技術(shù)。1995年，英國電信討論院的DavidWake利用多縱模DFB激光器中的兩個縱模進(jìn)行拍頻，獲得了42GHz信號的輸出。

近來利用雙波長光纖激光器的技術(shù)正在進(jìn)展。光纖激光器結(jié)構(gòu)輕松，成本低。一般的光纖激光器中增益介質(zhì)多采納摻鉺光纖，具有勻稱加寬特性。人們采納了各種方法抑制勻稱加寬導(dǎo)致的模式競爭實(shí)現(xiàn)了雙波長光纖激光器，并產(chǎn)生出3～60GHz不等的微波信號。如利用低溫抑制勻稱加寬[5]，分布色散腔，偏振燒孔，空間燒孔，部分分別結(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。如采納深調(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(diǎn)是通過轉(zhuǎn)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。2023年，加拿大姚建平討論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重量可獲得兩個光邊帶，拍頻后獲得了32～50GHz寬帶可調(diào)的毫米波信號。中國近年在這方面有了許多報導(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6～60GHz范圍的微波信號[8]。

需要留意的是，由于高頻電子器件的進(jìn)步，目前市場上已有60GHz以下商品微波源模塊出售，光生微波的方法應(yīng)向更高頻率進(jìn)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1000GHz、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，仍舊是有吸引力的。它能為光載超寬帶(UWBOF)通信供應(yīng)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)簡潔，它通過轉(zhuǎn)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。采納量子結(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30GHz。

為能將60GHz左右或更高的微波信號調(diào)制到光載波需要采納外調(diào)制技術(shù)。采納行波結(jié)構(gòu)的LiNbO3調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)70GHz的帶寬[11]。也可采納電汲取調(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，是很有進(jìn)展前景的一種光調(diào)制器件。

在調(diào)制技術(shù)方面有一些敏捷變通的方法，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(shí)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，但增加了基站的簡單程度；光外差法通過傳輸兩路具有肯定頻率差的光信號，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)中有用的光探測器必需具有與常規(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(diǎn)；三是在器件上直接轉(zhuǎn)換為微波功率，并從微波天線放射出去。目前能夠滿意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，而空穴被限制在肯定的區(qū)域。利用電子的高遷移率，大大提高了器件的響應(yīng)速率。并采納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加光汲取的作用長度；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1.5THz信號的檢測，并有了將UTC-PD與放射天線或與調(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'。微波光子濾波器供應(yīng)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，最終通過光接收器輸出濾波后的微波信號。采納這種方法的優(yōu)點(diǎn)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)還供應(yīng)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力量的雷達(dá)系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域。隨著ROF系統(tǒng)討論的深化，微波光子濾波器在通信系統(tǒng)中特殊是在毫米波ROF系統(tǒng)中得到應(yīng)用。目前國際上的討論集中在設(shè)計新型濾波器結(jié)構(gòu)以實(shí)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(shí)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；其次種方法是利用簡單的光電器件實(shí)現(xiàn)全系數(shù)的濾波器，但此種方法成本很高。最近，許多新型低成本的結(jié)構(gòu)被報導(dǎo)用來實(shí)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，采納數(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(diǎn)隨頻率的上升漸漸明顯，緣由在于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100GHz抽樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器很難實(shí)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)480GHz，并有96GHz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(diǎn)穩(wěn)定在半波電壓四周，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，最終輸入光接收機(jī)恢復(fù)出放大后的微波信號。試驗(yàn)結(jié)果表明，在微波頻率恒定為4GHz的狀況下，隨著輸入微波信號的增大，微波增益始終穩(wěn)定在17dB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)的重要討論內(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(diǎn)，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獵取光單邊帶信號，但濾波器本身也會為系統(tǒng)引入色散。討論表明，外調(diào)制器的非線性嚴(yán)峻限制著整個微波鏈路的動態(tài)范圍，一個較大的放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，是近期討論的熱點(diǎn)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年月末在位于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)70m。這些天線之間建立了一個光纖傳輸系統(tǒng)以傳遞1.420405752GHz超穩(wěn)定微波參考信號。全部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年月，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)上的勝利。

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。即討論光纖內(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(shí)現(xiàn)了低損耗傳輸。ROF可用于實(shí)現(xiàn)中心局與各個微蜂窩天線之間的信號傳送和安排。其優(yōu)點(diǎn)在于可將簡單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)換單元和微波放射天線兩部分，基站結(jié)構(gòu)簡潔可大大降低成本，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)制格式完全透亮?????，頻率和調(diào)制格式變化時不需要轉(zhuǎn)變基站，只需對中心站進(jìn)行升級，特別有利于無線通信網(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60GHzROF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60GHz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。隨后韓國世宗高校于2023年構(gòu)建了中頻傳輸遠(yuǎn)端混頻的60GHzROF系統(tǒng)，方案采納在光纖中傳輸中頻信號，而在遠(yuǎn)端機(jī)站實(shí)現(xiàn)混頻以避開光纖鏈路色散的影響。最近喬治亞理工學(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2.5Gb/s40GHz的WDM-ROF系統(tǒng)[15]。在這個結(jié)構(gòu)中最大的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了基站的無光源化，簡化了基站的設(shè)計。在ROF系統(tǒng)討論領(lǐng)域，的討論機(jī)構(gòu)具有強(qiáng)大實(shí)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。2023年NTT公司報道了在125GHzROF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)10Gb/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進(jìn)展。中國的討論者近兩年已取得很大進(jìn)步，完成60GHz毫米波有線無線混合光傳輸?shù)南到y(tǒng)試驗(yàn)[16]；32GHzROF高清電視業(yè)務(wù)傳輸平臺的建立；光OFDM信號ROF系統(tǒng)的討論[17]等。

事方面的應(yīng)用是微波光子學(xué)的重大討論領(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(diǎn)[18]。如光控微波波束形成網(wǎng)絡(luò)利用光控實(shí)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)行功率安排、移相、功率合成等處理，實(shí)現(xiàn)對微波信號空