4.2 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的重要器件，是實現(xiàn)信號在高速通信網(wǎng)路中傳輸，以及實現(xiàn)信號儲存、處理的前端器件。如圖7 所示為應(yīng)用ADC 的數(shù)字ROF系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的ROF 系統(tǒng)相比，數(shù)字ROF 系統(tǒng)在CO 不需要混頻以及本振源，并且對光鏈路的線性度以及鏈路增益要求不高，從而可以利用現(xiàn)有光接入網(wǎng)來實現(xiàn)傳遞射頻(RF)信號。為了克服傳統(tǒng)電域ADC 的內(nèi)在的局限性，Henry F.Taylor 于1979 年提出了全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AOADC) 的概念。全光ADC，其抽樣、量化和編碼都在光域進(jìn)行，近年來備受各國科學(xué)家的重視。目前全球相關(guān)研究大都基于光纖實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，然而為了獲得更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，要求光脈沖有很大的光功率，從而能耗較高，不符合光器件向“ 綠色節(jié)能”的方向發(fā)展；另一方面，由于是基于光纖的，以上的量化編碼方案不利于集成，不符合光器件向集成化的方向發(fā)展。為了使全光量化編碼器向低能耗、光子集成、高速率以及高分辨率的方向發(fā)展，我們提出了一種利用半導(dǎo)體光放大器(SOA) 中的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)效應(yīng)來實現(xiàn)全光ADC 的方法[7]，其原理結(jié)構(gòu)如圖8 所示。模擬信號被抽樣信號抽樣之后變成抽樣光脈沖，隨后被分成N 份，輸入到由N 個基于NPR 效應(yīng)的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個基于NPR 效應(yīng)的量化編碼單元由兩個級聯(lián)的偏振開關(guān)(PSW) 組成，如圖8(d) 所示。其中PSW1 實現(xiàn)預(yù)量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強(qiáng)度的增強(qiáng)，PSW1 的SOA 中更多載流子被消耗，因而造成其輸出光功率下降，為了保持強(qiáng)度不同的抽樣光脈沖在量化編碼單元中所獲得的增益一致，PSW1 之后級聯(lián)另外一個偏振開關(guān)PSW2，其作用是實現(xiàn)增益的動態(tài)補(bǔ)償。8(b)所示為量化編碼單元的傳輸函數(shù)，圖8(c) 所示為相應(yīng)的編碼輸出，預(yù)量化編碼和增益動態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的方式可以很好地實現(xiàn)量化編碼。由于SOA 的增益恢復(fù)時間在皮秒級別，因而基于NPR 效應(yīng)的全光ADC，其轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到幾百Gs/s(Giga-Samples Per Second)。

 

圖7 應(yīng)用ADC 的數(shù)字RoF 系統(tǒng)

圖8 一種利用SOA 中的NPR 效應(yīng)實現(xiàn)全光ADC 的方法

4.3 微波光子濾波技術(shù)

微波光子濾波器(MPF) 是在光域內(nèi)實現(xiàn)對微波/射頻信號進(jìn)行濾波的器件。由于微波光子濾波器在射頻系統(tǒng)中具有帶寬大、快速可調(diào)諧、可重構(gòu)、無電磁干擾(EMI)、低損耗和重量輕等優(yōu)點，因而這一類器件已經(jīng)引起了人們的興趣。如果在中心站光電變換之前加入微波光子濾波器，就可以大大減小對基帶信號處理模塊的性能和復(fù)雜度要求，避免了電子器件在處理高頻信號上帶來的“ 瓶頸”問題，并降低了器件成本。

相對于有限沖激響應(yīng)(FIR) 濾波器來說，把耦合器的一個輸出端和輸入端相連即構(gòu)成了光纖環(huán)延遲線。光信號每經(jīng)過一次環(huán)形器就產(chǎn)生T延遲，理論上，光信號會無限次經(jīng)過光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無限。如圖9 所示，可以利用光子晶體取代光纖環(huán)制作微波光子濾波器，利用光子晶體波導(dǎo)分束器作為耦合單元，利用慢光波導(dǎo)作為延遲單元。相對于光纖環(huán)，光子晶體具有更好的慢光特性，可以顯著減小器件尺寸。

 
圖9 IIR 微波光子濾波器結(jié)構(gòu)示意圖 

4.4 智能天線技術(shù)

智能天線的基本原理是通過改變各天線單元的權(quán)重在空間形成方向性波束，主波束對期望用戶的信號進(jìn)行跟蹤，在干擾用戶的方向形成零陷[8]。因此，波束賦形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)。而電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)是周期排列的結(jié)構(gòu)，具有兩個重要特性，表面波帶隙和反射相位帶隙[9]，利用兩個特性有利于提高波束的定向性，從而實現(xiàn)波束賦形。

共面緊湊型電磁帶隙(UC-EBG)結(jié)構(gòu)由于不需要過孔，相對其他類型EBG 結(jié)構(gòu)更易于加工制造。印刷的EBG 結(jié)構(gòu)表面很高的表面阻抗，截斷了電流的傳播，同時對于入射的平面電磁波具有同相反射特性，將此種性能的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于系統(tǒng)相當(dāng)于引入一個人工磁壁。通過合理設(shè)計，EBG 結(jié)構(gòu)還可以多頻工作，如利用分形結(jié)構(gòu)的自相似特性，在共面型EBG 結(jié)構(gòu)中引入分形，可得到多個帶隙[10]，該結(jié)構(gòu)可對天線的多個工作頻段性能同時進(jìn)行改善。圖10(a) 為UC-EBG 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引入了一級分形，通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行交叉排列，得到圖10(b)所示的禁帶。由圖10(b)可知，電磁波在介質(zhì)基板中不能有效傳播，這一方面使能量更加集中地從天線輻射出去，提高了天線的定向性；另一方面，由于表面波被抑制，天線方向圖的波紋減小了，這兩者都有助于波束賦形。

圖10 EBG 在天線的應(yīng)用

5 結(jié)束語

由于同時具備無線化和寬帶化，光載無線技術(shù)深受業(yè)內(nèi)重視并已經(jīng)在國際上得到了應(yīng)用。其中作為一種改善光載無線系統(tǒng)傳輸容量和資源調(diào)配能力的解決方案，動態(tài)可重構(gòu)的智能光載無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。其產(chǎn)品能夠改善多波長纖鏈路中微波光波協(xié)同問題，具有高速傳輸和資源動態(tài)調(diào)配能力，為實現(xiàn)寬帶化、泛在化、低功耗動態(tài)可重構(gòu)微波光波融合網(wǎng)絡(luò)提供堅實的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

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