微波光子學(xué)的應(yīng)用

微波光子學(xué)的應(yīng)用

1光纖通信的特性信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了微波通信和光纖通信的快速發(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),而且能實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)和手提設(shè)備的互聯(lián);它傳輸成本低(通過(guò)大氣傳輸),采用蜂窩式系統(tǒng)具備高效的頻率利用率。微波通信面臨的主要問(wèn)題在于微波傳輸介質(zhì)對(duì)于高頻微波進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)具有很大的損耗,從而導(dǎo)致使用頻率的高頻擴(kuò)展受限。此外,電磁輻射對(duì)人體安全的影響也越來(lái)越得到人們的關(guān)注。光纖通信的特點(diǎn)是體積小、重量輕;超寬帶(>40THz)低損;可以實(shí)現(xiàn)幾十Gbit/s的信號(hào)傳輸,在波長(zhǎng)、頻率、空間上可多路合成;易于多路合成和分解及靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);抗電磁干擾,無(wú)有害輻射,光纖通信的主要問(wèn)題是移動(dòng)性不夠。隨著高容量信息技術(shù)需求的高速發(fā)展和微波學(xué)與光學(xué)兩門(mén)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)結(jié)合,形成了一門(mén)新學(xué)科——微波光子學(xué),實(shí)現(xiàn)了微波和光波之間的轉(zhuǎn)換。微波可以提供低成本可移動(dòng)無(wú)線(xiàn)連接方式,而光纖提供低損寬帶連接和抗電磁干擾特性。在光纖中可以實(shí)現(xiàn)射頻波或更高頻段信號(hào)的無(wú)衰減、無(wú)信道間相互干擾的帶通傳輸,與傳統(tǒng)的微波傳輸系統(tǒng)比,具有體積小、重量輕、成本低,損耗小,抗電磁干擾,大帶寬,低色散、高容量等特點(diǎn)。微波信號(hào)的光處理技術(shù)能提供更高的微波頻率,克服電信號(hào)處理電路中有限的信號(hào)取樣和控制速度?？蓪?shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理、寬帶取樣及并行操作,且相對(duì)成本低。2微波光子學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為研究微波或毫米波波段的高速光子器件及其在微波/光波系統(tǒng)中的應(yīng)用的一門(mén)新興學(xué)科,微波光子學(xué)在器件和系統(tǒng)方面都有眾多的研究方向。其器件和子系統(tǒng)類(lèi)的方向包括:◆高速寬帶光子器件:包括激光器、調(diào)制器、放大器、探測(cè)器、信號(hào)處理器(例如延時(shí)、譜分析、頻率轉(zhuǎn)換、信號(hào)綜合、濾波、信道選擇、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等等);◆光致電信號(hào)合成和控制:從微波到THz波;◆超快速光探測(cè)和測(cè)量;◆光子器件與電路的芯片集成;微波光子學(xué)在系統(tǒng)和其他的應(yīng)用包括:◆光饋信號(hào)無(wú)線(xiàn)和蜂窩式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò);◆副載波復(fù)用和CATV系統(tǒng);◆基于不同調(diào)制格式的光纖通信;◆衛(wèi)星光通信系統(tǒng);◆微波光子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模;下面我們具體從微波光子學(xué)的RoF系統(tǒng)和光控相控陣這兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀來(lái)探討微波光子學(xué)研究意義和前景,對(duì)其它應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。3rof發(fā)展趨勢(shì)RoF系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了微波和光線(xiàn)之間的轉(zhuǎn)換,結(jié)合了微波和光纖通信的優(yōu)勢(shì)。RoF系統(tǒng)使射頻微波在光纖中實(shí)現(xiàn)無(wú)衰減,無(wú)信道間的相互干擾的射頻波帶通傳輸。其主要應(yīng)用包括:RoF無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),天線(xiàn)遙感,寬帶視頻分配網(wǎng)絡(luò),RoF無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)等。RoF無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(例如在機(jī)場(chǎng)或商場(chǎng))是通過(guò)光纖把信號(hào)反饋到無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP),然后AP能夠在幾十至上百米的范圍內(nèi)(微蜂窩)或室內(nèi)(微微蜂窩)連接多個(gè)無(wú)線(xiàn)用戶(hù),實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)信號(hào)傳輸和交換,如圖1所示。RoF無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相比的優(yōu)勢(shì)在于:在滿(mǎn)足信號(hào)覆蓋整個(gè)局域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)接入點(diǎn),能降低接入點(diǎn)的復(fù)雜度、降低系統(tǒng)成本,并且高頻信號(hào)的擴(kuò)展可以提供寬帶、多業(yè)務(wù)服務(wù)。據(jù)ABIResearch的市場(chǎng)預(yù)測(cè),到2009年,世界上超過(guò)一半以上的使用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的辦公樓將使用RoF。表1所列出的是目前無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)發(fā)展的主要規(guī)格?；赗oF技術(shù),可以適用于不同頻段的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),隨著寬帶和多業(yè)務(wù)信息需求的增加,基于60GHz頻段的RoF的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)成為研究的熱點(diǎn)之一。RoF無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)也是RoF系統(tǒng)重要應(yīng)用之一。隨著移動(dòng)用戶(hù)量的急速增加,系統(tǒng)不但要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)(realtime)、無(wú)縫隙(seamless)和不間斷(continuous)通信,同時(shí)也要有承載寬帶和多業(yè)務(wù)的能力。RoF系統(tǒng)的誕生無(wú)疑為智能通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)模型(如圖2),利用光纖傳輸高頻寬帶RF模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)中心站與基站的連接。這種RoF無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)能有效的降低基站(BS)的安裝復(fù)雜性,便于擴(kuò)容;降低BS覆蓋區(qū)域,從而降低手持終端的功率損耗;提供寬帶、廣帶網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)移動(dòng)畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)?使得用戶(hù)擁有更大的可用帶寬。RoF智能交通系統(tǒng)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展,交通安全問(wèn)題也成為世界各國(guó)亟待解決的主要問(wèn)題之一。圖3所示的是日本YOKOSUKA無(wú)線(xiàn)通信研究中心在1998年末研究構(gòu)建的一個(gè)未來(lái)RoF智能交通(ITS)系統(tǒng)圖。沿著公路建立本地基站,利用RoF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中心站與基站之間大信息量控制信息傳輸,提供道路監(jiān)控、交通信息服務(wù)與管理、自動(dòng)計(jì)費(fèi)等,有的還包括公交信息系統(tǒng)、商業(yè)車(chē)輛管理系統(tǒng)、電子泊車(chē)系統(tǒng)等智能交通管理信息;再由基站天線(xiàn)向快速運(yùn)行的交通車(chē)提供信息傳輸。這個(gè)RoF的智能交通系統(tǒng)的工作頻段在36～37GHz之間。而車(chē)與車(chē)之間采用60GHz波段的毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的前方,避免追尾相撞?；赗oF的ITS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:信息運(yùn)載能力強(qiáng),系統(tǒng)成本低,抗干擾能力強(qiáng)。2001年以日本YOKOSUKA研究園(YRP)為主的多個(gè)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)合作建立了RF工作頻率為5.8GHz的多種基帶信號(hào)傳輸?shù)腞oF—ITS現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并于2002年3月在YRP園區(qū)成功舉辦了面向公眾的ITS開(kāi)放體驗(yàn)日。目前的研究重點(diǎn)在向更高頻段毫米波36～37GHz的路—車(chē)間RoF智能交通通信系統(tǒng)發(fā)展,可以預(yù)見(jiàn),在不久的將來(lái)RoF智能交通系統(tǒng)將走向?qū)嵱没?。RoF系統(tǒng)的主要研究方向包括,高性能的半導(dǎo)體激光器(高線(xiàn)性度(低失真)、低噪聲、低成本封裝);高帶寬外調(diào)制器(>40GHz);高速高功率光電轉(zhuǎn)換器;鏈路性能分析研究(偽自由動(dòng)態(tài)范圍SFDR、噪聲等);光纖毫米波(26～110GHz)系統(tǒng)(能提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)、固定和移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接入),其包括:毫米波的產(chǎn)生、微波信號(hào)的光處理、控制;基于RoF的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)(800M～2.2GHz)—分布式天線(xiàn)系統(tǒng)研究,主要包括:系統(tǒng)的噪聲和信號(hào)失真分析、高性能激光器、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理等方面。4光控微波束形成網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用相控陣天線(xiàn)具有可靠性高、探測(cè)能力強(qiáng)、掃描速度快、抗干擾能力強(qiáng),多波束、實(shí)時(shí)切換、無(wú)慣性跟蹤等功能及特點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域,為了提高抗干擾能力、為了提高雷達(dá)的分辨率、識(shí)別能力和解決多目標(biāo)成像問(wèn)題,對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈的威脅相控陣?yán)走_(dá)必須具有大的瞬時(shí)帶寬(>10%),需要使用光真延時(shí)技術(shù)——光控PAA,將在后面詳細(xì)解釋。在移動(dòng)通信系統(tǒng)領(lǐng)域,移動(dòng)用戶(hù)量的劇增、多業(yè)務(wù)服務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)帶寬急劇增長(zhǎng),從而需要基于光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的智能天線(xiàn)。光控寬帶相控陣?yán)走_(dá)優(yōu)點(diǎn)不但能消除波束傾斜效應(yīng),獲得最佳的波束掃描,還具有掃描速度快,分辨率高,抗干擾能力強(qiáng),大幅度的減輕體積、重量,十分適用于機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)。其關(guān)鍵問(wèn)題是光控微波束形成網(wǎng)絡(luò)——延時(shí)精度、幅度和相位一致性,如圖4所示。RF調(diào)制的光信號(hào)分配到各陣元幅度相位控制單元(移相器或延時(shí)模塊),在輸出端由于干涉作用,RF信號(hào)會(huì)在某一指向形成零級(jí)干涉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該方向的波束指向。波束指向的方向θ由移相器ψn或延時(shí)模塊τn決定:對(duì)于寬帶信號(hào)(帶寬為Δfr),由于移相器引入的相位ψn為常數(shù),則由(1)式中第一等式可得:即頻帶寬度Δfr引起了波束偏斜Δθ。而采用真延時(shí)模塊τn則實(shí)現(xiàn)了波束指向不隨RF頻率偏移。所以,具有精確延時(shí)精度的光控微波束形成網(wǎng)絡(luò)是確保寬帶信號(hào)波束精確定點(diǎn)指向的關(guān)鍵部分(例如:對(duì)于10GHz的微波信號(hào),波束指向精度在1°內(nèi)要求延時(shí)精度在亞ps量級(jí))。同時(shí),對(duì)于線(xiàn)性相控陣系統(tǒng),其幅度和相位的一致性是確保波束形成信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。光真延時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案有多種:使用不同延遲線(xiàn)的開(kāi)關(guān)控制型,自由空間實(shí)時(shí)延遲,路徑色散實(shí)時(shí)延遲,集成光波導(dǎo)技術(shù),壓電效應(yīng)實(shí)時(shí)延遲技術(shù),多波長(zhǎng)實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)等。光控寬帶相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展趨勢(shì)從L波段、X波段、K波段到MMW波段、THz波段,不斷向高頻發(fā)展。光控相控陣天線(xiàn)在通信中的應(yīng)用是光控智能天線(xiàn)。智能天線(xiàn)是一種多天線(xiàn)技術(shù),采用天線(xiàn)陣列形成可控的波束,指向并隨時(shí)跟蹤用戶(hù)。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(hù)數(shù)或更高數(shù)據(jù)率。其關(guān)鍵部分之一:光控波束形成網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)大容量的微波信號(hào)在光控微波波束形成網(wǎng)絡(luò)的控制下可以形成理想的波束。圖5所示的是光控智能天線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)圖。它不但能在光域內(nèi)對(duì)每個(gè)陣列信號(hào)的波束方向控制,還能實(shí)現(xiàn)空間分集技術(shù)克服無(wú)線(xiàn)傳輸中的多徑衰落現(xiàn)象。目前主要研究方向是集成小型化光控智能天線(xiàn)的波束形成器研究和大于40GHz的光控智能天線(xiàn)研究。2004年Alameh、K.E等人設(shè)計(jì)了一個(gè)集成微光寬帶智能天線(xiàn)的波束形成器,6個(gè)陣元結(jié)構(gòu),尺寸僅有24×24×20mm3。5微波基本原理微波信號(hào)的光處理也是微波光子學(xué)的重要應(yīng)用方向。它能提供更高的微波頻率,克服電信號(hào)處理電路中有限精度的信號(hào)取樣(傳統(tǒng)電信號(hào)處理方式能提供的取樣頻率最大僅為幾GHz,而采用光處理技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大于100GHz的取樣頻率)和控制速度,實(shí)現(xiàn)寬帶取樣和并行操作,相對(duì)成本低。其主要研究方向有:光控的A/D轉(zhuǎn)換器(脈沖激光器結(jié)合光電導(dǎo)體獲得取樣微波信號(hào))和可調(diào)諧的光微波濾波器。目前實(shí)現(xiàn)光控A/D轉(zhuǎn)換的方法很多,仍處在研究階段,未實(shí)用化。利用光延時(shí)實(shí)現(xiàn)微波濾波是實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)處理的有效技術(shù),也成為很多研究機(jī)構(gòu)研究熱點(diǎn)之一。此外,THz系統(tǒng)也是微波光子學(xué)中一個(gè)重要的研究方向。THz是介于微波和紅外之間的波段(頻率從0.1到幾十THz(3mm～10μm)),THz技術(shù)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)。由于物質(zhì)的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射)包含有豐富的物理和化學(xué)信息,使其在諸如成像檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、衛(wèi)星通信、寬帶移動(dòng)通訊、軍事雷達(dá)等方面具有重大的應(yīng)用前景和科學(xué)價(jià)值。隨著飛秒(10-15s)激光技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟,使得THz波的研究獲得了有效激勵(lì)源。THz波的廣闊應(yīng)用前景引起世界很多研究組濃厚的研究興趣。主要研究方向包括THz的光發(fā)射器(有效、高精度的固態(tài)微芯片激光器和THz信號(hào)發(fā)生源)(目前效率僅2%),O/THz轉(zhuǎn)換模塊(接收模塊),THz輻射與物質(zhì)的相互作用研究以及THz波在成像檢測(cè)、醫(yī)療診斷、THz相控陣?yán)走_(dá)、生物醫(yī)學(xué)、THz波通信等領(lǐng)域的應(yīng)用