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(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,無有害輻射,光纖通信的主要問題是移動(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)兩門學(xué)科的優(yōu)勢(shì)結(jié)合,形成了一門新學(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(shí)現(xiàn)射頻波或更高頻段信號(hào)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(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。可實(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)無線和蜂窩式無線系統(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)無衰減,無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無線局域網(wǎng),天線遙感,寬帶視頻分配網(wǎng)絡(luò),RoF無線個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)等。RoF無線局域網(wǎng)(例如在機(jī)場(chǎng)或商場(chǎng))是通過光纖把信號(hào)反饋到無線接入點(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)無線用戶,實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)信號(hào)傳輸和交換,如圖1所示。RoF無線局域網(wǎng)與傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)相比的優(yōu)勢(shì)在于:在滿足信號(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,世界上超過一半以上的使用無線局域網(wǎng)的辦公樓將使用RoF。表1所列出的是目前無線局域網(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線局域網(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的無線局域網(wǎng)成為研究的熱點(diǎn)之一。RoF無線個(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)用戶量的急速增加,系統(tǒng)不但要滿足實(shí)時(shí)(realtime)、無縫隙(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無線通信系統(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)畫面?zhèn)鬏數(shù)?使得用戶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,交通安全問題也成為世界各國(guó)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(gòu)建的一個(gè)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(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(yùn)行的交通車提供信息傳輸。這個(gè)RoF的智能交通系統(tǒng)的工作頻段在36～37GHz之間。而車與車之間采用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—車間RoF智能交通通信系統(tǒng)發(fā)展,可以預(yù)見,在不久的將來RoF智能交通系統(tǒng)將走向?qū)嵱没oF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)無線接入),其包括:毫米波的產(chǎn)生、微波信號(hào)的光處理、控制;基于RoF的無線移動(dòng)(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(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。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:使用不同延遲線的開關(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。光控相控陣天線在通信中的應(yīng)用是光控智能天線。智能天線是一種多天線技術(shù),采用天線陣列形成可控的波束,指向并隨時(shí)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(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)克服無線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(shè)計(jì)了一個(gè)集成微光寬帶智能天線的波束形成器,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年來發(fā)展起來的一種新型技術(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