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1 微波光子学产生的背景
光波分复用威廉希尔官方网站 的出现和掺铒光纤放大器的发明使光通信得到迅速发展。光纤通信具有损耗低，抗电磁干扰，超宽带，易于在波长、空间、偏振上复用等很多优点，目前已实现了单路40～160 Gb/s、单根光纤10 Tb/s的传输。 随着容传输速率的不断提高，光纤系统需要在光发射和接收机中采用微波威廉希尔官方网站 。 与此同时，随着对无线通信容量需求的增加，微波威廉希尔官方网站 也在迅速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，实现与移动设备的互联；蜂窝式系统的出现，使微波通信具备高的频谱利用率。但目前微波频段的有限带宽成为严重问题，人们开始考虑30～70 GHz新频段的利用。60 GHz光载无线(ROF)系统由于接入速率高和不需要另外申请牌照等优点正成为宽带接入的热门威廉希尔官方网站 。60 GHz信号在大气中的传输损耗高达14 dB/km，意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用。但传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，而光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理充满吸引力。 光纤威廉希尔官方网站 与微波威廉希尔官方网站 相互融合成为一个重要新方向。从理论上来讲，微波威廉希尔官方网站 和光纤威廉希尔官方网站 的理论基础都是电磁波波动理论。在光电器件中，当波长足够小时要考虑波动效应，采用电磁波理论来设计和研究光电器件，如波导型或行波型器件。理论基础的统一，使得微波器件和光电子器件可使用相同材料和威廉希尔官方网站 在同一芯片上集成，这极大促进了两个学科的结合，促进了一门新的交叉学科——微波光子学的诞生。 微波光子学概念最早于1993年被提出[1]。其研究内容涉及了与微波威廉希尔官方网站 和光纤威廉希尔官方网站 相关的各个领域[2]。主要集中在两方面：一是解决传统的光纤通信威廉希尔官方网站 向微波频段发展中的问题，包括激光器、光调制器、放大器、探测器和光纤传输链路的研究；二是利用光电子器件解决微波信号的产生和控制问题，主要有光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、光致微波电信号的合成和控制等。 
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2 微波光子学中的关键威廉希尔官方网站
2.1 利用光学方法产生微波信号 微波通信向30～70 GHz高频率的发展对传统微波器件是很大的挑战，此时利用光学威廉希尔官方网站 产生微波信号展现出很大吸引力。利用光学威廉希尔官方网站 产生微波的方法有多种，最简单的原理是光外差法。设两个光波的频率、相位和功率分别为?棕1、?棕2，?准1、?准2和P 1、P2。当两束频率相近，偏振态相同的光波同时入射到高频光探测器上进行拍频时，可以得到的输出电流为： 其中R为探测器的光电转换效率。不难看出，通过拍频可产生频率为|?棕1-?棕2|的微波信号，且产生信号的频率和相位不仅由两束光的频率差决定，也与相位差有关。为保证微波信号相位噪声低和稳定性，要求两束光有很高的相干性。为此近年来报道了许多用以消除激光器产生相位噪声的新方法。主要有光注入锁定法[3]、光学锁相环法[4]。但是光注入锁相法的锁定范围很小，典型值为几百兆赫兹。光学锁相环方法要求从激光器要跟得上主激光器的相位变化，这需要很小的环路延迟，两种方法还都需要外加稳定的微波信号源，这增加了成本，不利于实用化和产品化。 利用集成威廉希尔官方网站 ，可将两个激光器做在一起。这样两束光产生于同一增益介质中，相干性好，可避免采用锁定威廉希尔官方网站 。1995年，英国电信研究院的David Wake利用多纵模DFB激光器中的两个纵模进行拍频，获得了42 GHz信号的输出。 近来利用双波长光纤激光器的威廉希尔官方网站 正在发展。光纤激光器结构轻巧，成本低。一般的光纤激光器中增益介质多采用掺铒光纤，具有均匀加宽特性。人们采用了各种方法抑制均匀加宽导致的模式竞争实现了双波长光纤激光器，并产生出3～60 GHz不等的微波信号。如利用低温抑制均匀加宽[5]，分布色散腔，偏振烧孔，空间烧孔，部分分离结构双波长DFB光纤激光器[6]等。 另一种光生微波方法则利用光外调制威廉希尔官方网站 [7]，如图1所示。外调制器为强度或相位调制器。如为线性调制，可产生2倍于调制频率的差频信号。如采用深调制威廉希尔官方网站 ，可产生4倍调制频率的微波信号。利用光外调制方法的优点是通过改变微波调制信号的频率能够实现频率的可调谐。与前一种方法相比，这种方法产生的微波信号的稳定性和相位噪声取决于微波调制信号和调制器，对器件要求相对较低。2005年，加拿大姚建平研究小组提出利用大微波输入功率驱动一个铌酸锂调制器再用一个光纤光栅滤波器滤去光载波分量可获得两个光边带，拍频后获得了32～50 GHz宽带可调的毫米波信号。中国近年在这方面有了很多报导，结合利用非线性光子器件的倍频效应，可产生频率在6～60 GHz范围的微波信号[8]。 需要注意的是，由于高频电子器件的进步，目前市场上已有60 GHz以下商品微波源模块出售，光生微波的方法应向更高频率发展才能体现自己的优势，目前最高频率的报导是产生了1 000 GHz、25 ?滋W的拍频输出[9]，进入了太赫兹威廉希尔官方网站 领域。此外，利用半导体光放大器的增益饱和恢复特性及光学偏振调制、色散效应等在光域产生并传输超宽带脉冲信号，仍然是有吸引力的。它能为光载超宽带(UWBOF)通信提供与光纤系统兼容性良好的UWB脉冲光源[10]。 2.2 光调制器 用光纤传输微波副载波信号对光调制器提出了适应调制的新要求。直接调制威廉希尔官方网站 简单，它通过改变半导体激光器注入电流将微波副载波信号直接加载到光波上。直接调制带宽受到激光器谐振频率的限制。采用量子结构能够减小半导体激光器的阈值电流，增加微分增益，提高带宽。为了进一步增加带宽，需要减小光子寿命和增益压缩系数。但是由于增益压缩系数的限制，在室温下直接调制带宽很难超过30 GHz。 为能将60 GHz左右或更高的微波信号调制到光载波需要采用外调制威廉希尔官方网站 。采用行波结构的LiNbO3调制器，可实现70 GHz的带宽[11]。也可采用电吸收调制器，由于其体积小、驱动电压低，便于与激光器、光检测器等集成为一体，是很有发展前景的一种光调制器件。 在调制威廉希尔官方网站 方面有一些灵活变通的方法，如频率上转换法和光外差法。频率上转换法将较低频率的微波信号调制到光上传输，在基站实现频率上转化，得到高频微波信号，这样虽降低了光调制器的要求，但增加了基站的复杂程度；光外差法通过传输两路具有一定频率差的光信号，光上调制有基带信号，在基站将两个光波拍频得到微波信号，但这种方法将受到光纤色散的影响。 2.3 光探测器 在微波光子学中实用的光探测器必须具有与常规光通信系统要求不同的性能：一是高速率；二是高功率输出，即高的饱和工作点；三是在器件上直接转换为微波功率，并从微波天线发射出去。目前能够满足上述要求的器件称为单一渡越载流子光电二极管(UTC-PD)。在这一器件中只有电子被利用为激活载流子，而空穴被限制在一定的区域。利用电子的高迁移率，大大提高了器件的响应速率。并采用波导结构，增加光吸收的作用长度；设计最佳的传输线阻抗，获得高响应速率和高的饱和功率。据报道，已获得1.55 ?滋m波段1.5 THz信号的检测，并有了将UTC-PD与发射天线或与调制器做成单片集成器件的报导。 2.4 微波光子滤波器 微波光子滤波器是光子信号处理威廉希尔官方网站 的重要内容。在电域内处理信号受频带和采样频率的限制，处理速度和精度都受到影响，称为电子“瓶颈”。微波光子滤波器提供了一种解决传统“瓶颈”问题的新方法。输入的射频(RF)信号通过调制器调制到光信号上，RF信号的处理在光域进行，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号。采用这种方法的优点是：低损耗、高带宽、不受电磁干扰、重量轻和支持高采样频率，使用波分复用威廉希尔官方网站 还提供了空间和波长并行处理的可行性。 微波光子滤波器起初应用于需要高速信号处理能力的雷达系统和航空航天领域。随着ROF系统研究的深入，微波光子滤波器在通信系统中特别是在毫米波ROF系统中得到应用。目前国际上的研究集中在设计新型滤波器结构以实现Q值更高的频率响应、负抽头系数、可调性、可重构和更大的动态范围等。传统的方法有两种：第一种方法是用电差分的结构，早在1995年便实现了此种结构，但此种方法可调性和可重构性很差，而且受电器件带宽限制；第二种方法是利用复杂的光电器件实现全系数的滤波器，但此种方法成本很高。最近，很多新型低成本的结构被报导用来实现具有负系数的微波光子滤波器。其中利用偏振态和外调制器的方法最有吸引力[12]。另一方面，在ROF系统中，微波光子滤波功能和其他信号处理功能的结合将会大大降低系统成本和加强功能集中化。 2.5 模数转换器 在某些模拟系统如雷达和宽带通信系统中，采用数字信号处理方法具有更好性能和快速重构性。电域中模数转换器的弱点随频率的升高逐渐明显，原因在于CMOS数字转化器受采样时钟抖动、采样保持电路稳定时间、比较器的处理速度等因素的限制。数字信号处理中可用的100 GHz抽样的模数转换器很难实现。微波光子学提出的方法称为光学时间拉伸，抽样频率可达480 GHz，并有96 GHz的带宽[13]。光学时间拉伸的基本原理是利用光子处理过程减慢电信号速度以改善电域中的模数转换器。光处理过程有3步：波长-时间转换、波长域处理、波长-时间映射。转换后的慢速电信号可用常规模数转换器(A/D)进行变换。 2.6 光域微波放大器 利用常见的掺铒光纤放大器的增益和光与微波的相互作用可在光域实现对微波信号进行放大，如图2所示。由外腔激光器输出的直流光在强度调制器中被输入的微波信号调制。调制器的直流偏置点稳定在半波电压附近，输出的光信号经掺铒光纤放大器放大后被光带通滤波器滤除自发辐射噪声，最后输入光接收机恢复出放大后的微波信号。实验结果表明，在微波频率恒定为4 GHz的情况下，随着输入微波信号的增大，微波增益始终稳定在17 dB左右，显示出很好的稳定性，而输出微波信号的信噪比则会随之提高。 2.7 克服微波副载波对光纤传输链路的影响 微波在光纤中的传输特性是微波光子学的重要研究内容，早在应用混合同轴电缆-光纤系统传输模拟的有线电视(CATV)信号的时候，链路传输特性就是关注的重点，相应的理论模型已被用来分析ROF链路的传输特性。在比CATV更高速的ROF链路中，光纤色散成为限制传输距离的主要因素，PMD和各种非线性效应也更加明显。对于色度色散，一般认为可通过在光域进行单边带调制威廉希尔官方网站 加以解决。其中最直接的方法是用光纤光栅滤波获取光单边带信号，但滤波器本身也会为系统引入色散。研究表明，外调制器的非线性严重限制着整个微波链路的动态范围，一个较大的发射功率引起的交叉相位调制等非线性效应会进一步加重对系统性能的恶化[14]。另一方面，不同数字调制格式的信号，对毫米波光纤传输链路的指标要求大不相同，因此微波光纤传输系统中传输各种调制格式如正交移相键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)和用正交频分复用(OFDM)威廉希尔官方网站 时基带数字信号和中频信号时的链路特性，是近期研究的热点内容。 |
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2019-7-12 10:00:58
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4 结束语
过去30年中，微波光子学在理论、器件、关键威廉希尔官方网站 和系统应用层面都取得了发展，某些应用已实现了实用化[20]。微波威廉希尔官方网站 与光电子威廉希尔官方网站 是推动信息威廉希尔官方网站 进步的两大重要学科。微波威廉希尔官方网站 发展至今，在通信、国防等诸多方面获得了卓越的成就；光电子威廉希尔官方网站 尤其是光通信在近30年来具有生机蓬勃的新威廉希尔官方网站 增长点，把通信系统的速度和容量提高到了前所未有的程度。两者的相互融合，必将对现代信息威廉希尔官方网站 产生深远的影响。 作为一门新兴的交叉学科，微波光子学有着广泛的应用前景。除了在有线电视、ROF通信和雷达中的应用外，微波光子学未来可能的应用还包括广播、无线多媒体业务、高清视频流、吉比特无线局域网、个域网、光探测与测量和射电天文学等，并可期待在太赫兹威廉希尔官方网站 、高灵敏度传感和量子密钥分配等领域获得进一步研究与发展。 |
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5 参考文献
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只有小组成员才能发言，加入小组>>
4530个成员聚集在这个小组
加入小组17626.6标准中关于CDN的疑问？以及实际钳注入测试中是否需要对AE和EUT同时接CDN？
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