【《微波光子学技术发展文献综述》2600字】

第第页微波光子学技术发展文献综述随着光通信技术的迅猛发展，人们考虑怎样将光子技术应用于微波技术之中，以解决传统电子技术常见的“电子瓶颈”的相关问题，比如工作频率、带宽、处理速度等。同时，必须要克服微波系统的一些常见缺点，比如结构复杂、体积庞大、电磁干扰等。最终目标是打破现有电子系统的性能瓶颈。微波光子是一门结合微波和光子学的新学科，在这种对工程的强烈需求中出现，并越来越受到关注。与此同时，在众多研究人员和科学家的努力下，微波光子近年来发展迅速。下图是简单的微波光子链路传输图：图1-1简单的微波光子链路传输图从图1-1可以看出，微波光子链路由发送端、发送光纤链路以及接收端构成。发送端的器件主要包括：激光器（LaserDiode）、电光调制器、射频信号源等；传输光链路包括：光分路器、EDFA、光隔离器、光环形器、WDM、DWDM等；接收端一般是由光电探测器（PD）以及各种电器件构成的。发送端的目的就是利用电光调制器将电信号转换成光信号，并利用光子学技术对其进行处理；传输光链路的目的是尽可能地将光信号传输到远距离，以便发挥传输光链路的成本优势；接收端的作用是通过光电探测器从光信号中提取射频信号，并将其发送到电气部件进行进一步处理[3-7]。具体而言，微波光子技术与传统电子技术相比具有以下明显优势：（1）传输损耗相对较小。标准的单模光纤（SingleModeFiber，SMF）在普通波长下的传输损耗小于0.2dB/km[8]，射频电缆在18GHz频段的传输损耗为0.72dB/m。在雷达探测的天线测距系统中，由于电缆传输损耗大，天线接收到的射频信号不能直接传输到中心站，只能在天线站通过下变频和采样量化的方式传输。使用微波光子技术，射频信号可以通过传输光链路直接发送到中央处理站，不仅简化了天线站的设计，而且大大降低了天线站和传输线的成本；（2）通道带宽较大。单模光纤、电光调制器、光电二极管（PD）、掺铒光纤放大器（ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA）等一些常见的光学器件在常用的可用频段（1550nm波段）可以达到4THz；（3）无电磁干扰。微波信号是以光形式在光纤中传输的，所以其本身不会受到电磁的干扰，其传输过程中也不会对其它相关电子系统造成任何电磁干扰；（4）体积小并且重量轻。与同轴电缆射频传输相比，利用光纤传输射频信号，可以大大减小传输链路的体积、成本和重量。加拿大光纤公司（OCC）生产的军用光缆重量为31kg/km，美国Harbour公司生产的军用同轴电缆的重量为113kg/km，是光缆重量的三倍[8]。因为光电集成技术的发展越来越成熟，微波光子系统在重量和体积上将会显示出更大的优势[9]。（5）光电响应带宽度。现在常见的电光调制器的带宽为DC-50GHz。由美国国防部高等研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DAPRA）赞助的收发优化光子学项目（TransmitandReceiveOptimizedPhotonics，TROPHY）小组研发出的铌酸锂（LiNbO3）晶体电光调制器的工作带宽可以达到110GHz[8]。商用PD的3dB带宽最高也达到了110GHz[10]。因此，利用微波光子学技术可以产生数百千兆赫的微波信号。微波光子技术和微波技术主要参数的简要对比如表1.1所示[8]。表1-1微波光子技术和微波技术的对比表技术指标实现方法传输损耗（dB/km）工作频率（GHz）通道带宽（GHz）重量（kg/km）电磁干扰微波技术720@18GHz分频段，最高300GHz＜140113严重微波光子技术0.2DC-110GHz连续400031无由于微波光子技术相比传统微波技术具有显著的优势，在未来微波光子技术在以下电子系统中具有极大的应用潜力：（1）微波光子雷达随着目前电磁环境越来越复杂，检测目标越来越多样化，电子侦察技术给雷达造成的威胁越来越大，电子雷达系统正在不断朝着大带宽、网络化、数字化、多频段、多功能、抗干扰、轻便灵活的方向发展，超宽带雷达正是雷达目前发展的趋势之一。目前超宽带雷达的带宽在500MHz-3GHz以上，目前正在朝着3-5GHz的方向发展。现有的宽带雷达系统的工作带宽在100-200MHz，严重限制了距离分辨率。目前的雷达另一个缺点是工作频段单一，抗截获和抗电磁干扰能力差。另外，现有雷达主要采用收发器件传输，多通带微波合成。电缆数量多、体积重量大、收发组件的一致性差、电磁兼容性要求高。微波光子雷达是基于微波光子学、综合了光子学技术与传统电子技术的新型雷达系统。在微波光子雷达系统中，利用光子学技术来解决电子系统在信号处理速率以及工作带宽等方面的局限，从而大幅度提高电子雷达系统的超宽带信号（线性调频信号或相位编码信号）生成、传输与处理性能。例如，欧洲研究委员会资助PHODIR项目于2014年第一次设计并实现用于全数字雷达系统的射频接收器，该接收器核心技术是一个高带宽、高采样率、高动态范围和灵敏度的全光模数转换器，可以直接对高达40GHz的模拟信号进行处理，不需要下变频[11]。（2）电子侦查对抗系统由于“电子瓶颈”的制约，在电域难以直接处理高频微波信号，而微波光子技术能够利用大带宽的优势，直接在光域对高频微波信号进行处理。所以微波信号的光子学处理（混频、滤波、移相、采样量化）一直是电子侦察对抗系统研究热点。测频是电子侦查中首先需要实现的核心技术。而目前的测频技术大多是在电域中利用DSP实现的。所以，高频微波信号采样量化是测频技术中需要重点攻克的难题。由于电子瓶颈的制约，采样速率在电域中目前最高只能做到几GHz，但电子侦查对抗系统中使用的微波信号频率至少是十几GHz，所以利用DSP技术是很难进行微波信号采样的。利用光子学技术来对微波信号进行采样，其采样速率远远超过电采样。例如，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UniverisityofCalifornia，LosAngeles，UCLA）的Jalali教授研究的光子学采样系统做到了THz的采样速率[12]。（3）卫星通信未来卫星通信发展趋势是多频段、大带宽、多波束、配置灵活。目前的通信卫星射频前端，主要采用传统的微波技术进行信号收发、波速形成、滤波、上下变频、中频数字化，现有滤波器组件和信道化接收机的瞬时带宽局限在GHz以下，现有ADC技术不能对高频射频信号直接采样量化，所以现有电子技术难以实现大带宽射频信号的前端处理，难以实现多频段一体化射频前端，不同频段卫星需要不同的硬件平台。如果要求一个卫星可灵活工作在多频段，会面临硬件的研发和生产成本过高、卫星功耗、体积、重量大等问题。将微波光子技术应用于卫星有效载荷，涉及多频段一体化的射频前端，构建单端口、工作频段可在轨设置的通用一体化卫星载荷，可以解决现有电子技术面临的频段调谐和带宽局限，满足未来通信卫星多频段灵活可调、大带宽的应用需求。除此之外，微波光子系统还有体积小、重量轻、能耗小、抗电磁干扰的优点，可简化卫星系统并提高系统性能，大幅度提高转发性能。参考文献[1]A.J.SeedsandK.J.Williams.MicrowavePhotonics.Jnl.LightwaveTech.,2006,24(12):4628-4641[2]D.Wake,M.Webster,G.Wimpenny,etal.Radiooverfiberformobilecommunications.Proc.Int.Top.MeetingMicrow.Photon.,Oct.2004:157-160[3]SeedAJ,WilliamsKJ.Microwavephotonics[J].LightwaveTechnology,Journalof.2006,24(12).4628-4641[4]YaoJianping.MicrowavePhotonics[J].JournalofLightwaveTechnology.2009,27(3),314–335.[5]SaeedkiaD,Safavi-NaeiniS.Terahertzphotonics:Optoelectronictechniquesforgenerationandetectionofterahertzwaves[J].LightwaveTeclnology,Journalof.2008,26(15).2409-2423.[6]WilliamsonRC,EsmanRD.RFphotonics[J].JournalofLightwaveTechnology.2008,26(9).1144-1153.[7]DarcieTE,StohrA,YuPKL.GuestEditorialSpecialIssueonMicrowavePhotonics[J].LightwaveTechnology,Journalof.2008,26(15).2336-2337.[8]RidgwayRW,DohrmanCL,ConwayJA.MicrowavePhotonicsProgramsatDARPA[J].JournalofLightwaveTechnology,2014,32(20):3428-3439.[9]周治平.硅基光电子学[M].北京大学出版社,2012.[10]Finisarcorporation.100GHzSingleHigh-speedPhotodetector[DB/OL]./optical-components/xpdv412xr,2016.[11]GhelfiP,LaghezzaF,ScottiF,etal.Afullyphotonics-basedcoherentradarsystem[J].Nature,2014,507(7492):341-345.[12]HanY,BoyrazO,JalaliB.Tera-sample-per-secondReal-timeWaveformDigitizer[J].arXivpreprintphysics/0509266,2