微波光子學的應用

微波光子學的應用

1光纖通信的特性信息技術的發(fā)展促進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、易于構建和重構,而且能實現與移動和手提設備的互聯;它傳輸成本低(通過大氣傳輸),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題在于微波傳輸介質對于高頻微波進行長距離傳輸時具有很大的損耗,從而導致使用頻率的高頻擴展受限。此外,電磁輻射對人體安全的影響也越來越得到人們的關注。光纖通信的特點是體積小、重量輕;超寬帶(>40THz)低損;可以實現幾十Gbit/s的信號傳輸,在波長、頻率、空間上可多路合成;易于多路合成和分解及靈活的網絡結構;抗電磁干擾,無有害輻射,光纖通信的主要問題是移動性不夠。隨著高容量信息技術需求的高速發(fā)展和微波學與光學兩門學科的優(yōu)勢結合,形成了一門新學科——微波光子學,實現了微波和光波之間的轉換。微波可以提供低成本可移動無線連接方式,而光纖提供低損寬帶連接和抗電磁干擾特性。在光纖中可以實現射頻波或更高頻段信號的無衰減、無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。微波信號的光處理技術能提供更高的微波頻率,克服電信號處理電路中有限的信號取樣和控制速度?？蓪崿F高速信號處理、寬帶取樣及并行操作,且相對成本低。2微波光子學網絡系統(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)中的應用的一門新興學科,微波光子學在器件和系統(tǒng)方面都有眾多的研究方向。其器件和子系統(tǒng)類的方向包括:◆高速寬帶光子器件:包括激光器、調制器、放大器、探測器、信號處理器(例如延時、譜分析、頻率轉換、信號綜合、濾波、信道選擇、數據轉換等等);◆光致電信號合成和控制:從微波到THz波;◆超快速光探測和測量;◆光子器件與電路的芯片集成;微波光子學在系統(tǒng)和其他的應用包括:◆光饋信號無線和蜂窩式無線系統(tǒng)/網絡;◆副載波復用和CATV系統(tǒng);◆基于不同調制格式的光纖通信;◆衛(wèi)星光通信系統(tǒng);◆微波光子系統(tǒng)的設計和建模;下面我們具體從微波光子學的RoF系統(tǒng)和光控相控陣這兩個主要應用領域的現狀來探討微波光子學研究意義和前景,對其它應用領域也進行簡單的介紹。3rof發(fā)展趨勢RoF系統(tǒng)的主要優(yōu)點是實現了微波和光線之間的轉換,結合了微波和光纖通信的優(yōu)勢。RoF系統(tǒng)使射頻微波在光纖中實現無衰減,無信道間的相互干擾的射頻波帶通傳輸。其主要應用包括:RoF無線局域網,天線遙感,寬帶視頻分配網絡,RoF無線個人通信網絡等。RoF無線局域網(例如在機場或商場)是通過光纖把信號反饋到無線接入點(AP),然后AP能夠在幾十至上百米的范圍內(微蜂窩)或室內(微微蜂窩)連接多個無線用戶,實現多業(yè)務信號傳輸和交換,如圖1所示。RoF無線局域網與傳統(tǒng)無線局域網相比的優(yōu)勢在于:在滿足信號覆蓋整個局域范圍內實現只有一個接入點,能降低接入點的復雜度、降低系統(tǒng)成本,并且高頻信號的擴展可以提供寬帶、多業(yè)務服務。據ABIResearch的市場預測,到2009年,世界上超過一半以上的使用無線局域網的辦公樓將使用RoF。表1所列出的是目前無線局域網發(fā)展的主要規(guī)格。基于RoF技術,可以適用于不同頻段的無線局域網,隨著寬帶和多業(yè)務信息需求的增加,基于60GHz頻段的RoF的無線局域網成為研究的熱點之一。RoF無線個人通信網絡也是RoF系統(tǒng)重要應用之一。隨著移動用戶量的急速增加,系統(tǒng)不但要滿足實時(realtime)、無縫隙(seamless)和不間斷(continuous)通信,同時也要有承載寬帶和多業(yè)務的能力。RoF系統(tǒng)的誕生無疑為智能通信系統(tǒng)的實現提供了一個實現模型(如圖2),利用光纖傳輸高頻寬帶RF模擬信號實現中心站與基站的連接。這種RoF無線通信系統(tǒng)能有效的降低基站(BS)的安裝復雜性,便于擴容;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、廣帶網絡通信和實時移動畫面?zhèn)鬏數?使得用戶擁有更大的可用帶寬。RoF智能交通系統(tǒng)也是當前研究的熱點之一。隨著現代社會經濟的高度發(fā)展,交通安全問題也成為世界各國亟待解決的主要問題之一。圖3所示的是日本YOKOSUKA無線通信研究中心在1998年末研究構建的一個未來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)實現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、交通信息服務與管理、自動計費等,有的還包括公交信息系統(tǒng)、商業(yè)車輛管理系統(tǒng)、電子泊車系統(tǒng)等智能交通管理信息;再由基站天線向快速運行的交通車提供信息傳輸。這個RoF的智能交通系統(tǒng)的工作頻段在36～37GHz之間。而車與車之間采用60GHz波段的毫米波防撞雷達系統(tǒng)實現實時監(jiān)測車輛的前方,避免追尾相撞?；赗oF的ITS系統(tǒng)的優(yōu)點在于:信息運載能力強,系統(tǒng)成本低,抗干擾能力強。2001年以日本YOKOSUKA研究園(YRP)為主的多個相關研究機構合作建立了RF工作頻率為5.8GHz的多種基帶信號傳輸的RoF—ITS現場實驗系統(tǒng)。并于2002年3月在YRP園區(qū)成功舉辦了面向公眾的ITS開放體驗日。目前的研究重點在向更高頻段毫米波36～37GHz的路—車間RoF智能交通通信系統(tǒng)發(fā)展,可以預見,在不久的將來RoF智能交通系統(tǒng)將走向實用化。RoF系統(tǒng)的主要研究方向包括,高性能的半導體激光器(高線性度(低失真)、低噪聲、低成本封裝);高帶寬外調制器(>40GHz);高速高功率光電轉換器;鏈路性能分析研究(偽自由動態(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、固定和移動無線接入),其包括:毫米波的產生、微波信號的光處理、控制;基于RoF的無線移動(800M～2.2GHz)—分布式天線系統(tǒng)研究,主要包括:系統(tǒng)的噪聲和信號失真分析、高性能激光器、多業(yè)務系統(tǒng)網絡管理等方面。4光控微波束形成網絡的應用相控陣天線具有可靠性高、探測能力強、掃描速度快、抗干擾能力強,多波束、實時切換、無慣性跟蹤等功能及特點,因此廣泛應用于雷達、通信等領域。在軍事領域,為了提高抗干擾能力、為了提高雷達的分辨率、識別能力和解決多目標成像問題,對抗反輻射導彈的威脅相控陣雷達必須具有大的瞬時帶寬(>10%),需要使用光真延時技術——光控PAA,將在后面詳細解釋。在移動通信系統(tǒng)領域,移動用戶量的劇增、多業(yè)務服務導致系統(tǒng)帶寬急劇增長,從而需要基于光控波束形成網絡的智能天線。光控寬帶相控陣雷達優(yōu)點不但能消除波束傾斜效應,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,大幅度的減輕體積、重量,十分適用于機載雷達系統(tǒng)。其關鍵問題是光控微波束形成網絡——延時精度、幅度和相位一致性,如圖4所示。RF調制的光信號分配到各陣元幅度相位控制單元(移相器或延時模塊),在輸出端由于干涉作用,RF信號會在某一指向形成零級干涉,從而實現對該方向的波束指向。波束指向的方向θ由移相器ψn或延時模塊τn決定:對于寬帶信號(帶寬為Δfr),由于移相器引入的相位ψn為常數,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。而采用真延時模塊τn則實現了波束指向不隨RF頻率偏移。所以,具有精確延時精度的光控微波束形成網絡是確保寬帶信號波束精確定點指向的關鍵部分(例如:對于10GHz的微波信號,波束指向精度在1°內要求延時精度在亞ps量級)。同時,對于線性相控陣系統(tǒng),其幅度和相位的一致性是確保波束形成信號質量的關鍵指標。光真延時技術實現方案有多種:使用不同延遲線的開關控制型,自由空間實時延遲,路徑色散實時延遲,集成光波導技術,壓電效應實時延遲技術,多波長實時延遲線等。光控寬帶相控陣雷達發(fā)展趨勢從L波段、X波段、K波段到MMW波段、THz波段,不斷向高頻發(fā)展。光控相控陣天線在通信中的應用是光控智能天線。智能天線是一種多天線技術,采用天線陣列形成可控的波束,指向并隨時跟蹤用戶。它具有增加通信容量和速率、減少電磁干擾、減少手機和基站發(fā)射功率,并具有定位功能的優(yōu)點;能減少多徑衰落影響,獲得更多的用戶數或更高數據率。其關鍵部分之一:光控波束形成網絡,可實現大容量的微波信號在光控微波波束形成網絡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的基本結構圖。它不但能在光域內對每個陣列信號的波束方向控制,還能實現空間分集技術克服無線傳輸中的多徑衰落現象。目前主要研究方向是集成小型化光控智能天線的波束形成器研究和大于40GHz的光控智能天線研究。2004年Alameh、K.E等人設計了一個集成微光寬帶智能天線的波束形成器,6個陣元結構,尺寸僅有24×24×20mm3。5微波基本原理微波信號的光處理也是微波光子學的重要應用方向。它能提供更高的微波頻率,克服電信號處理電路中有限精度的信號取樣(傳統(tǒng)電信號處理方式能提供的取樣頻率最大僅為幾GHz,而采用光處理技術能實現大于100GHz的取樣頻率)和控制速度,實現寬帶取樣和并行操作,相對成本低。其主要研究方向有:光控的A/D轉換器(脈沖激光器結合光電導體獲得取樣微波信號)和可調諧的光微波濾波器。目前實現光控A/D轉換的方法很多,仍處在研究階段,未實用化。利用光延時實現微波濾波是實現高頻信號處理的有效技術,也成為很多研究機構研究熱點之一。此外,THz系統(tǒng)也是微波光子學中一個重要的研究方向。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技術是近20年來發(fā)展起來的一種新型技術。由于物質的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射)包含有豐富的物理和化學信息,使其在諸如成像檢測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、衛(wèi)星通信、寬帶移動通訊、軍事雷達等方面具有重大的應用前景和科學價值。隨著飛秒(10-15s)激光技術的發(fā)展和逐漸成熟,使得THz波的研究獲得了有效激勵源。THz波的廣闊應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信號發(fā)生源)(目前效率僅2%),O/THz轉換模塊(接收模塊),THz輻射與物質的相互作用研究以及THz波在成像檢測、醫(yī)療診斷、THz相控陣雷達、生物醫(yī)學、THz波通信等領域的應用