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(diǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)了單路40～160 Gb/s、單根光纖10 Tb/s的傳輸。

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

與此同時(shí)，隨著對(duì)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(shí)現(xiàn)與移動(dòng)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(qǐng)牌照等優(yōu)點(diǎn)正成為寬帶接入的熱門技術(shù)。60 GHz信號(hào)在大氣中的傳輸損耗高達(dá)14 dB/km，意味著在蜂窩移動(dòng)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(shí)具有很大損耗，而光纖系統(tǒng)具有低損耗、高帶寬特性，對(duì)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(gè)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(dòng)理論。在光電器件中，當(dāng)波長足夠小時(shí)要考慮波動(dòng)效應(yīng)，采用電磁波理論來設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(cè)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(hào)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(hào)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(hào)

微波通信向30～70 GHz高頻率的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)微波器件是很大的挑戰(zhàn)，此時(shí)利用光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生微波信號(hào)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(gè)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(shí)入射到高頻光探測(cè)器上進(jìn)行拍頻時(shí)，可以得到的輸出電流為：

其中R為探測(cè)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(hào)，且產(chǎn)生信號(hào)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(hào)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(bào)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(hào)源，這增加了成本，不利于實(shí)用化和產(chǎn)品化。

利用集成技術(shù)，可將兩個(gè)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(gè)縱模進(jìn)行拍頻，獲得了42 GHz信號(hào)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(shí)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(hào)。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(hào)。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(hào)。利用光外調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是通過改變微波調(diào)制信號(hào)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(hào)的穩(wěn)定性和相位噪聲取決于微波調(diào)制信號(hào)和調(diào)制器，對(duì)器件要求相對(duì)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(dòng)一個(gè)鈮酸鋰調(diào)制器再用一個(gè)光纖光柵濾波器濾去光載波分量可獲得兩個(gè)光邊帶，拍頻后獲得了32～50 GHz寬帶可調(diào)的毫米波信號(hào)。中國近年在這方面有了很多報(bào)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(hào)[8]。

需要注意的是，由于高頻電子器件的進(jìn)步，目前市場(chǎng)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(shì)，目前最高頻率的報(bào)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(hào)，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(hào)對(duì)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(hào)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(hào)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(shí)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(dòng)電壓低，便于與激光器、光檢測(cè)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(hào)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(hào)，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(hào)，光上調(diào)制有基帶信號(hào)，在基站將兩個(gè)光波拍頻得到微波信號(hào)，但這種方法將受到光纖色散的影響。

2.3 光探測(cè)器

在微波光子學(xué)中實(shí)用的光探測(cè)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(diǎn)；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(jì)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(bào)道，已獲得1.55 ?滋m波段1.5 THz信號(hào)的檢測(cè)，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(bào)導(dǎo)。

2.4 微波光子濾波器

微波光子濾波器是光子信號(hào)處理技術(shù)的重要內(nèi)容。在電域內(nèi)處理信號(hào)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(hào)通過調(diào)制器調(diào)制到光信號(hào)上，RF信號(hào)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(hào)。采用這種方法的優(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(hào)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(jì)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(dòng)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；第二種方法是利用復(fù)雜的光電器件實(shí)現(xiàn)全系數(shù)的濾波器，但此種方法成本很高。最近，很多新型低成本的結(jié)構(gòu)被報(bào)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(hào)處理功能的結(jié)合將會(huì)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(hào)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)隨頻率的升高逐漸明顯，原因在于CMOS數(shù)字轉(zhuǎn)化器受采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、采樣保持電路穩(wěn)定時(shí)間、比較器的處理速度等因素的限制。數(shù)字信號(hào)處理中可用的100 GHz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(shí)間拉伸，抽樣頻率可達(dá)480 GHz，并有96 GHz的帶寬[13]。光學(xué)時(shí)間拉伸的基本原理是利用光子處理過程減慢電信號(hào)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(shí)間轉(zhuǎn)換、波長域處理、波長-時(shí)間映射。轉(zhuǎn)換后的慢速電信號(hào)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(duì)微波信號(hào)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(hào)調(diào)制。調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)穩(wěn)定在半波電壓附近，輸出的光信號(hào)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(hào)。實(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)的信噪比則會(huì)隨之提高。

2.7 克服微波副載波對(duì)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(hào)的時(shí)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(duì)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(hào)，但濾波器本身也會(huì)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(gè)微波鏈路的動(dòng)態(tài)范圍，一個(gè)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(huì)進(jìn)一步加重對(duì)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(hào)，對(duì)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(shí)基帶數(shù)字信號(hào)和中頻信號(hào)時(shí)的鏈路特性，是近期研究的熱點(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(gè)分布在數(shù)十公里范圍內(nèi)的由十多個(gè)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(gè)光纖傳輸系統(tǒng)以傳遞1.420405752 GHz超穩(wěn)定微波參考信號(hào)。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(gè)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(hào)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(shì)，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(gè)微蜂窩天線之間的信號(hào)傳送和分配。其優(yōu)點(diǎn)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(duì)于頻率和調(diào)制格式完全透明，頻率和調(diào)制格式變化時(shí)不需要改變基站，只需對(duì)中心站進(jìn)行升級(jí)，非常有利于無線通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)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(shí)承載模擬的衛(wèi)星電視信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，其中60 GHz毫米波信號(hào)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(hào)，而在遠(yuǎn)端機(jī)站實(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)中最大的特點(diǎn)是不再有中頻(IF)信號(hào)，因而能夠傳輸?shù)幕鶐盘?hào)不再受中頻的影響，在基站設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了基站的無光源化，簡化了基站的設(shè)計(jì)。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(shí)力，主要他們?cè)诟咝阅躄iNbO3調(diào)制器和UTC-PD等新型光電子器件研發(fā)上具有優(yōu)勢(shì)。2007年日本NTT公司報(bào)道了在125 GHz ROF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)10 Gb/s數(shù)字基帶信號(hào)無誤碼傳輸。可見ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)[16]；32 GHz ROF高清電視業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的建立；光OFDM信號(hào)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(diǎn)[18]。如光控微波波束形成網(wǎng)絡(luò)利用光控實(shí)時(shí)時(shí)延器件以饋線網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)對(duì)多信道微波信號(hào)進(jìn)行功率分配、移相、功率合成等處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)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(shí)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(diǎn)；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(dòng)態(tài)帶寬分配，在移動(dòng)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(shí)現(xiàn)了實(shí)用化[20]。微波技術(shù)與光電子技術(shù)是推動(dòng)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(diǎn)，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(duì)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(gè)域網(wǎng)、光探測(cè)與測(cè)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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