微波光子學研究的進展

摘要:微波光子學注重微波與光子在概念、器件和系統(tǒng)的結合，典型研究包括微波信號的光產生、處理和轉換，微波信號在光鏈路中的分配和傳輸?shù)�。其研究成果促進了新技術的出現(xiàn)，如光載無線(RoF)通信、有線電視(CATV)的副載波復用和光纖傳輸、相控陣雷達的光控波束形成網(wǎng)絡以及微波頻域的測量技術等.

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：國家自然科學基金資助項目(60736002、60807026)

1 微波光子學產生的背景

光波分復用技術的出現(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)射和接收機中采用微波技術。

與此同時，隨著對無線通信容量需求的增加，微波技術也在迅速發(fā)展。微波通信能夠在任意方向上發(fā)射、易于構建和重構，實現(xiàn)與移動設備的互聯(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。60 GHz信號在大氣中的傳輸損耗高達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使用。但傳統(tǒng)的微波傳輸介質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。

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

微波光子學概念最早于1993年被提出[1]。其研究內容涉及了與微波技術和光纖技術相關的各個領域[2]。主要集中在兩方面：一是解決傳統(tǒng)的光纖通信技術向微波頻段發(fā)展中的問題，包括激光器、光調制器、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 微波光子學中的關鍵技術

2.1 利用光學方法產生微波信號

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)，此時利用光學技術產生微波信號展現(xiàn)出很大吸引力。利用光學技術產生微波的方法有多種，最簡單的原理是光外差法。設兩個光波的頻率、相位和功率分別為?棕 1、?棕 2，?準 1、?準 2和P 1、P2。當兩束頻率相近，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為探測器的光電轉換效率。不難看出，通過拍頻可產生頻率為|?棕 1-?棕 2|的微波信號，且產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。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生相位噪聲的新方法。主要有光注入鎖定法[3]、光學鎖相環(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，不利于實用化和產品化。

利用集成技術，可將兩個激光器做在一起。這樣兩束光產生于同一增益介質中，相干性好，可避免采用鎖定技術。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正在發(fā)展。光纖激光器結構輕巧，成本低。一般的光纖激光器中增益介質多采用摻鉺光纖，具有均勻加寬特性。人們采用了各種方法抑制均勻加寬導致的模式競爭實現(xiàn)了雙波長光纖激光器，并產生出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，部分分離結構雙波長DFB光纖激光器[6]等。

另一種光生微波方法則利用光外調制技術[7]，如圖1所示。外調制器為強度或相位調制器。如為線性調制，可產生2倍于調制頻率的差頻信號。如采用深調制技術，可產生4倍調制頻率的微波信號。利用光外調制方法的優(yōu)點是通過改變微波調制信號的頻率能夠實現(xiàn)頻率的可調諧。與前一種方法相比，這種方法產生的微波信號的穩(wěn)定性和相位噪聲取決于微波調制信號和調制器，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動一個鈮酸鋰調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寬帶可調的毫米波信號。中國近年在這方面有了很多報導，結合利用非線性光子器件的倍頻效應，可產生頻率在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是產生了1 000 GHz、25 ?滋W的拍頻輸出[9]，進入了太赫茲技術領域。此外，利用半導體光放大器的增益飽和恢復特性及光學偏振調制、色散效應等在光域產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 光調制器

用光纖傳輸微波副載波信號對光調制器提出了適應調制的新要求。直接調制技術簡單，它通過改變半導體激光器注入電流將微波副載波信號直接加載到光波上。直接調制帶寬受到激光器諧振頻率的限制。采用量子結構能夠減小半導體激光器的閾值電流，增加微分增益，提高帶寬。為了進一步增加帶寬，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制到光載波需要采用外調制技術。采用行波結構的LiNbO3調制器，可實現(xiàn)70 GHz的帶寬[11]。也可采用電吸收調制器，由于其體積小、驅動電壓低，便于與激光器、光檢測器等集成為一體，是很有發(fā)展前景的一種光調制器件。

在調制技術方面有一些靈活變通的方法，如頻率上轉換法和光外差法。頻率上轉換法將較低頻率的微波信號調制到光上傳輸，在基站實現(xiàn)頻率上轉化，得到高頻微波信號，這樣雖降低了光調制器的要求，但增加了基站的復雜程度；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速率。并采用波導結構，增加光吸收的作用長度；設計最佳的傳輸線阻抗，獲得高響應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)射天線或與調制器做成單片集成器件的報導。

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的重要內容。在電域內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)信號通過調制器調制到光信號上，RF信號的處理在光域進行，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，使用波分復用技術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用于需要高速信號處理能力的雷達系統(tǒng)和航空航天領域。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)中得到應用。目前國際上的研究集中在設計新型濾波器結構以實現(xiàn)Q值更高的頻率響應、負抽頭系數(shù)、可調性、可重構和更大的動態(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構，早在1995年便實現(xiàn)了此種結構，但此種方法可調性和可重構性很差，而且受電器件帶寬限制；第二種方法是利用復雜的光電器件實現(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構被報導用來實現(xiàn)具有負系數(shù)的微波光子濾波器。其中利用偏振態(tài)和外調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合將會大大降低系統(tǒng)成本和加強功能集中化。