微波光子学及其链路研究进展与应用综述

微波光子学及其链路研究进展与应用综述

摘要：微波光子学以光子技术为工具，生成、处理、传输微波/毫米波信号，注重微波与光子在概念、器件和系统方面的结合。微波光子学典型研究包括了微波信号的光产生、处理和转换，微波信号在光链路中的分配和传输等。微波光子链路技术与传统电子技术相比则具有非常明显的优势：重量轻，易于铺设，抗电磁干扰，低损耗，高带宽等。本文通过对微波光子链路领域相关文献的阅读与学习，对该领域的研究进展和技术应用进行简要综述。

关键词：微波光子学；微波光子链路；系统应用

引言

微波光子学(Microwave Photonics, MWP)作为微波与光子技术结合的一种新兴学科，发展迅速。在过去30年中，微波光子学在理论、器件、关键技术和系统应用层面都取得了进步与发展，某些应用甚至已经实现了实用化。在船舰、机载、卫星、雷达系统、无线通信等或民用或军用领域的复杂多元化电磁环境中，微波光子信息处理技术的地位日益凸显，有着广阔的应用前景。

微波光子链路（Microwave Photonic Link, MPL）也得益于微波光子学快速的发展与进步而受到广泛地关注与研究。光生毫米波技术、光纤无线电（ROF）技术、光控相控阵技术等作为微波光子学技术的分支，近年来已成为国内外研究热点。微波光子链路作为这些技术的重要组成部分，优势明显，在电子战、雷达、遥感探测、无线通信等领域得到广泛应用。

一、微波光子学及微波光子链路的研究进展与研究现状

1.1微波光子学及其链路背景

光波分复用技术及掺铒光纤放大器（EDFA）出现后，光通信得到迅速发展。无线通信容量需求也不断发展增加，应用于光纤系统中光发射和接收中的微波技术也在迅速发展。传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，但光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理相当具有吸引力。

光纤技术与微波技术相互融合成为一个重要的方向。理论上说，微波技术和光纤技术的理论基础都是电磁波动理论。理论基础的统一，使得微波器件和光电子器件可使用想通材料和技术在统一芯片上集成，促进了微波光子学学科的产生。

微波光子链路作为微波光子学的基石，主要完成微波信号和光信号之间互相转换、传输的任务。

1.2微波光子学的关键技术发展

微波光子学将微波技术与光纤技术相融合，主要研究微波信号的光产生、处理和转换以及微波信号在光链路中的分配和传输。利用光学方法产生微波信号、光调制技术、光探测技术、微波光子滤波技术、模数转换技术、光域微波放大技术及克服微波副载波对光纤传输链路的影响等技术成为微波光子学中的关键。

1.2.1 利用光学方法产生微波信号

微波通信向30～70GHz高频率的发展对传统微波器件是很大的挑战，利用光学技术产生微波信号便展现出很大吸引力。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42GHz信号的输出。近年来，人们也采用了各种方法一直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3～60GHz不等的微波信号。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。中国近年也在光外调制方面有了很多报导，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。

1.2.2 光调制技术

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。采用行波结构的LiNbO3调制器，可实现70GHz的带宽。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。

1.2.3 光探测技术

微波光子学中实用的光探测器必须具有与常规光通信要求不同的性能，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）。目前已获得1.55μm波段1.5THz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。

1.2.4 微波光子滤波技术

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值更高的频率相应、负抽头系数、可调性、可重构和更大的动态范围等。

1.2.5 模数转换技术

微波光子学中针对模数转换提出光学时间拉伸方法，其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。其中光处理主要有波长—时间转换、波长域处理、波长—时间映射三步。

1.2.6 光域微波放大技术

在光域实现对微波信号的放大主要利用常见的EDFA的增益和光与微波的相互作用两种。

1.2.7 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。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）、正交幅度控制（QAM）和用正交频分复用（OFDM）技术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。

二、微波光子学及微波光子链路的应用

微波光子学中，光生毫米波技术、ROF技术、光控相控阵技术等微波光子学技术的分支成为近年来国内外研究的热点。微波光子链路作为这些技术的核心，接收微波信号并提供微波信号输出，直接进行微波信号传输，具有带宽大、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、色散低等诸多有点。广泛应用于诸如电子战、雷达、无线通信、有线电视（CATV）等领域。

2.1 电子战领域

据澳大利亚国防部报导，微波光子链路的动态范围和损耗已达到电子战的要求，并且被应用到一系列电子战的接收机中。

微波光子链路的引入，使得电子对抗与电子支援系统同它们的天线在空间上远距离分开，大大降低了对电子对抗和电子支援系统功能的限制。并且，微波光子链路可进行多路发射与接收，使得立体电子对抗及电子支援系统和射频网络成为可能。

2.2 雷达领域

将光子技术引入到雷达，特别是相控阵雷达中，成为雷达技术发展中的一个新领域。相控阵天线是相控阵雷达的关键技术。相控阵天线采用微波光链路波束形成的方法，利用光学的真时延特性，实现宽带信号的波束指向无偏斜，具有较大优势。

2.3 无线通信领域

ROF在1990年被Cooper首先提出，也称作“光纤无线电”。ROF系统用于无线传输、超宽带接入等系统中，是目前学术界研究的热点。与传统的微波系统相比，ROF系统有着更宽的带宽、更广的蜂窝覆盖、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点，在未来通信、军事上有着重要的应用价值。

2.4 有线电视领域

微波光子链路在民用方面除了用在通信领域外，还可以用于有线电视的信号分配，因为在CATV中，光纤可同时传输很多的频率，所以必须将这些频率区分开来。低损耗的光纤可以少用甚至不用放大器，这是在用同轴电缆进行信号分配时必不可少的。

三、总结

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，并可期待在太赫兹技术、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。

参考文献