微波光子學作為一個微波技術和光子技術相融合的學科和技術，其發展史可以追溯到激光和光纖發明之初[1]，隨著超高速光纖通信技術的成熟、寬帶無線個人移動通信的普及以及微波技術在軍事、工業和尖端科研中應用的增長，微波光子學正展現出一個生機勃勃的發展機遇和前景。目前，光纖通信技術不斷發展與進步，已經實現了單一波長信道的40 Gb/s的高速寬帶信息傳送，解決了克服光纖中色散、非線性等效應的光學器件和技術問題。用光時分復用技術獲得更高頻率信號的研究取得了突破，太赫茲技術也在光學科技的推動下取得了快速的進展。而在高頻的微波光子學研究的領域中，利用光學方法產生毫米波調制的副載波信號，將光纖傳輸、高速光電子器件與毫米波信號在空間的輻射傳送相互融合，已經成為下一代寬帶無線通信技術的發展熱點，即光載無線(RoF)技術，其基本概念如圖1所示。

通常來說，RoF通信系統基本結構包括雙向的收發模塊、遠端的收發模塊和光纖。與傳統的無線通信系統技術相比，RoF通信系統有著更廣的蜂窩覆蓋、更寬的帶寬、較低的成本、較低的功耗和易安裝等優點，因此在未來通信、軍事上等諸多的領域有著非常重要的應用價值。在激光技術與光通信技術推動下發展起來的RoF用的新型光電子器件，與微波器件相比具有體積小、重量輕、速度快、精度高、效率高、功耗低、價格低等多種優點，將激光、光電子、光纖技術的成果與微波技術的融合，必將帶來優勢互補，解決一些難以克服的“瓶頸”問題，獲得一些意想不到的效果。為此，必須掌握滿足毫米波副載波光纖通信需要的關鍵器件和技術。

1 基于光電子器件的毫米波副載波的光學產生技術

1.1 外部光學調制器法

1.2 低頻微波傳輸和基站頻率上轉換法

這種方法[9]主要是依靠一個移頻器，即頻率上轉換器。為了克服色散效應引起的信號損傷，一種可行的方法是在光纖中傳輸頻率較低的副載波，然后在基站利用頻率上轉換器實現頻率的上轉換，達到毫米波波段的高頻載波。在發射端用電光調制將較低頻率的射頻副載波調制到光波上，通過光纖傳送到接收端，經光電轉換還原為低頻射頻信號，然后上變頻到毫米波波段，通過天線發給用戶。由于在光纖中傳輸的副載波頻率較低，可以克服色散效應帶來的影響。同時，在發射端不需要復雜和特殊的光源，但是在基站中需要增加一個頻率上轉換器和相關的毫米波電路設備，增加了基站的復雜性和成本。

1.3 光外差方法

因為在光外差法中采用了兩個半導體激光器，它們存在隨機的相位噪聲，由此產生的拍頻毫米波信號也存在相位噪聲。這對系統性能造成很大影響，因此必須消除。為此近年來有了一些新的研究，主要有光注入鎖定法(OIL)[11]、光學鎖相環法(OPLL)[12]和光注入鎖相環法(OIPLL)[13]。

1.4 基于特殊功能器件的毫米波副載波脈沖信號的光學產生技術

除了上面介紹的幾種連續的毫米波副載波調制信號的光學產生技術外，近年來，基于一些特殊設計功能器件或組合器件的毫米波副載波脈沖信號的光學產生技術也吸引了人們很大的關注，研究人員也取得了一些不錯的研究結果。其基本物理思想是：利用光纖和光纖器件的色散和非線性效應，實現在一個光脈沖內部的自拍頻，從而實現將一個單一的光學脈沖轉換為毫米頻率調制的光學脈沖，然后經過高速的光電轉換后，形成一個高頻的毫米波脈沖信號，通過天線發射出去。

文獻[14]最早介紹了這種光生毫米技術，如圖4所示。線性偏振入射光波的偏振方向與雙折射光纖的慢軸x方向成θ夾角；檢偏器以與光纖快軸成φ角放置。光脈沖在光纖中傳輸時，存在兩偏振分量，同時，由于光線的色散效應和非線性的自相位調制效應，光譜發生頻移，經檢偏器后兩分量發生差拍，即在一個脈沖包絡內部發生高頻調制。這種高頻調制，可以是單一射頻頻率的調制，也可以是具有啁啾性的調制，取決于光纖和光脈沖參數的選擇和控制。

為了降低對于光纖和光脈沖參數的控制要求，有人采用一個馬赫-曾德干涉儀來代替雙折射光纖[14]。在這一實驗中，由光纖激光器輸出的1 550 nm波段3 ps脈寬、250 MHz重復頻率的光波經環行器后輸入到一個啁啾率為0.13 nm/cm的10 cm長的啁啾光纖光柵上，光纖光柵反射后脈沖展寬為1 000 ps。馬赫-曾德干涉儀的一臂接入了一個可變時延器和一個偏振控制器，這樣，在干涉儀的第二個耦合器上，啁啾光脈沖的前沿就可能與后沿發生差拍，產生一個射頻調制的光脈沖。基于上述思想，一些其他的特殊無源新型的功能器件的光生毫米技術的產生方法也被提出。如利用一個具有雙峰值波長的變跡莫爾光纖光柵濾波器來實現毫米波副載波信號的產生[15]。圖5顯示了相應結構的示意簡圖。輸入窄脈沖激光經光纖環行器入射到光纖光柵并被其反射回到環行器，從另一端口輸出，采用的光纖光柵具有雙峰值波長的光譜結構。入射光譜被光纖光柵譜所調制，轉換為一個具有雙峰值波長光譜的光脈沖。當這一光束被光電二極管接收時，雙波長之間發生拍頻，在時域上轉換為一個與入射光脈沖時間和幅度相對應的毫米波調制的脈沖串，構成一個幅移鍵控(ASK)調制的毫米波副載波。其中，具有雙峰值波長的光纖光柵可以通過光柵的逆工程方法進行設計。在這種技術方案中，其基本結構是一個特殊設計的莫爾光柵，這種光柵目前在設計上和工藝上都已經比較成熟。圖6為設計的修正的莫爾光纖光柵的折射率分布和反射譜。

此外，也可以利用簡單低反射率腔的FP濾波器，實現脈沖的重復延時，形成高重復頻率超短脈沖序列，即毫米波脈沖包絡，來實現光生毫米波技術。其基本思路如圖7所示。進行初步的理論分析[16]得到相關的器件特性參數與所產生的微波脈沖特性之間的關系，可通過調節FP腔的光程和反射率來控制輸出光學脈沖的重復頻率、消光比和包絡波形。初步的研究結果表明這一方案技術成熟，簡單易行。為了改善毫米波脈沖包絡的質量和性能，可以通過FP半導體光放大器(SOA)組合功能器件的使用來實現，其基本思路如圖8所示。即利用SOA的驅動電流脈沖的波形，產生具有所需時域波形的增益，來放大和控制光脈沖幅度，實現脈沖包絡的整形。這種方法可以將高頻重復脈沖序列的產生及其包絡波形的整形結合在一個器件上完成。

除此之外，其他一些組合的新型功能的光電器件技術也可以應用來進行毫米波副載波的光學產生，如參考文獻[17]提出的利用脈沖重復率倍增和時域泰伯效應的組合光電子器件實現毫米波脈沖的產生(如圖9所示)，以及文獻[18]提出的級聯的Gires-Tournois干涉儀或環型諧振腔來實現毫米波的光學產生(如圖10所示)等等，這些新型的功能器件的使用在一定程度上都對毫米波的性能起到了一定的改善作用，它們都為RoF技術的發展起到了積極的推進作用和相關的技術儲備。

2 RoF接收端技術

RoF接收技術也是一項十分關鍵的技術。在RoF接收系統中，光載波的發射和接收全部在中心站完成，而在基站中只保留高速光電探測器、調制器和天線。這樣，從中心站發射的載波經過光纖傳輸到達基站后，通過光電探測器光電轉化后經過天線發射出去。而基站天線接收到的射頻信號通過調制器被調制到光載波上并通過光纖傳送回中心站，由于基站中只有光電探測器、調制器和天線，整個體積可以得到很大縮減，成本也大大降低，為RoF密集型“蜂窩”的發展起到了較大的促進作用。

2.1 UTC-PD光探測器

由RoF系統的配置可見，光纖鏈路接收端的高速的光探測器是另一個關鍵器件。它必須具有與常規光通信系統要求不同的性能：一是高速率；二是高功率輸出，即高的飽和工作點；三是能夠在器件上直接轉換為毫米波功率，并從微波天線發射出去；最后，當然也要求價格低廉。一個能夠滿足這幾個要求的器件，單行波波導探測器(UTC-PD)，已經問世。其基本原理是，將電子利用為激活載流子，而將空穴限制在一定的區域，利用電子的高遷移率大大提高器件的響應速率。UTC-PD還采用波導結構，增加光吸收的作用長度，設計最佳傳輸線阻抗，獲得高響應速率和高飽和功率。它的能帶結構如圖11(a)所示，圖11(b)則是一個將發射天線與UTC-PD集成為一體的器件[19]。據文獻[20]報道，UTC-PD器件探測速度可達310 GHz、50 ?贅負載上輸出電壓達1.5 V(相當于輸出功率7.5 dBm)，并已在RoF研發中被證明了其可行性[21]。

2.2 光子微波接收機

圖12是基于微腔的光子微波接收機[22]。由于采用了高Q值的光學微腔，利用光在微腔中的諧振，可以大大提高整個系統的調制效率。同時采用的金屬電極也是一種微波諧振結構，這樣在射頻信號耦合到電極的同時會因為微波的諧振而被放大，從而克服了Moodie等人提出的結構由于射頻能量損耗很大，只能用于短距離的無線通信的缺陷。利用這一種光子微波接收結構，Levi等人實現了100 M/s的數據傳輸，與此同時，Ilchenko等人也利用這一結構實現了亞微瓦級的光子微波接收機。

2.3 電光調制器

在文獻[22]中，也有人設計了一種天線耦合的電光調制器，這種設計最初是為了實現接收的射頻信號和光載波相位匹配。調制器上的電極同時用作接收天線。電磁波以特定角度入射的時候，相臨的天線接收的信號間的相位差正好等于光波經過它們之間距離的相位變化，從而實現相位匹配。

3 結束語

如今，RoF 技術已是國際學術界微波毫米波領域的一個研究熱點，用于無線通信、雷達等系統中，是微波光子學的一個重要應用。長期以來，人們對微波光子學中涉及的光源、調制器、傳輸介質和探測器等器件技術作了大量的研究工作，正是微波光子學領域新型功能器件研究的快速發展，極大地推進RoF 系統的應用進展。根據文獻資料的調研和相關市場發展的趨勢，現階段RoF在移動通信和個人通信中毫米波副載波光通信技術的真正使用，除了決定于新技術在經濟上的競爭力，也在很大程度上有賴于相關關鍵功能器件技術的突破，這些研究與進展都將決定RoF技術向市場化推進的步伐。

4 參考文獻