微波光子學(xué)作為一個(gè)微波技術(shù)和光子技術(shù)相融合的學(xué)科和技術(shù)，其發(fā)展史可以追溯到激光和光纖發(fā)明之初[1]，隨著超高速光纖通信技術(shù)的成熟、寬帶無(wú)線(xiàn)個(gè)人移動(dòng)通信的普及以及微波技術(shù)在軍事、工業(yè)和尖端科研中應(yīng)用的增長(zhǎng)，微波光子學(xué)正展現(xiàn)出一個(gè)生機(jī)勃勃的發(fā)展機(jī)遇和前景。目前，光纖通信技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單一波長(zhǎng)信道的40 Gb/s的高速寬帶信息傳送，解決了克服光纖中色散、非線(xiàn)性等效應(yīng)的光學(xué)器件和技術(shù)問(wèn)題。用光時(shí)分復(fù)用技術(shù)獲得更高頻率信號(hào)的研究取得了突破，太赫茲技術(shù)也在光學(xué)科技的推動(dòng)下取得了快速的進(jìn)展。而在高頻的微波光子學(xué)研究的領(lǐng)域中，利用光學(xué)方法產(chǎn)生毫米波調(diào)制的副載波信號(hào)，將光纖傳輸、高速光電子器件與毫米波信號(hào)在空間的輻射傳送相互融合，已經(jīng)成為下一代寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)，即光載無(wú)線(xiàn)(RoF)技術(shù)，其基本概念如圖1所示。
通常來(lái)說(shuō)，RoF通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括雙向的收發(fā)模塊、遠(yuǎn)端的收發(fā)模塊和光纖。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)技術(shù)相比，RoF通信系統(tǒng)有著更廣的蜂窩覆蓋、更寬的帶寬、較低的成本、較低的功耗和易安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來(lái)通信、軍事上等諸多的領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。在激光技術(shù)與光通信技術(shù)推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的RoF用的新型光電子器件，與微波器件相比具有體積小、重量輕、速度快、精度高、效率高、功耗低、價(jià)格低等多種優(yōu)點(diǎn)，將激光、光電子、光纖技術(shù)的成果與微波技術(shù)的融合，必將帶來(lái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決一些難以克服的“瓶頸”問(wèn)題，獲得一些意想不到的效果。為此，必須掌握滿(mǎn)足毫米波副載波光纖通信需要的關(guān)鍵器件和技術(shù)。
1 基于光電子器件的毫米波副載波的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)
1.1 外部光學(xué)調(diào)制器法
1.2 低頻微波傳輸和基站頻率上轉(zhuǎn)換法
這種方法[9]主要是依靠一個(gè)移頻器，即頻率上轉(zhuǎn)換器。為了克服色散效應(yīng)引起的信號(hào)損傷，一種可行的方法是在光纖中傳輸頻率較低的副載波，然后在基站利用頻率上轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)頻率的上轉(zhuǎn)換，達(dá)到毫米波波段的高頻載波。在發(fā)射端用電光調(diào)制將較低頻率的射頻副載波調(diào)制到光波上，通過(guò)光纖傳送到接收端，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換還原為低頻射頻信號(hào)，然后上變頻到毫米波波段，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)給用戶(hù)。由于在光纖中傳輸?shù)母陛d波頻率較低，可以克服色散效應(yīng)帶來(lái)的影響。同時(shí)，在發(fā)射端不需要復(fù)雜和特殊的光源，但是在基站中需要增加一個(gè)頻率上轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的毫米波電路設(shè)備，增加了基站的復(fù)雜性和成本。
1.3 光外差方法
因?yàn)樵诠馔獠罘ㄖ胁捎昧藘蓚€(gè)半導(dǎo)體激光器，它們存在隨機(jī)的相位噪聲，由此產(chǎn)生的拍頻毫米波信號(hào)也存在相位噪聲。這對(duì)系統(tǒng)性能造成很大影響，因此必須消除。為此近年來(lái)有了一些新的研究，主要有光注入鎖定法(OIL)[11]、光學(xué)鎖相環(huán)法(OPLL)[12]和光注入鎖相環(huán)法(OIPLL)[13]。
1.4 基于特殊功能器件的毫米波副載波脈沖信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)
除了上面介紹的幾種連續(xù)的毫米波副載波調(diào)制信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)外，近年來(lái)，基于一些特殊設(shè)計(jì)功能器件或組合器件的毫米波副載波脈沖信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)也吸引了人們很大的關(guān)注，研究人員也取得了一些不錯(cuò)的研究結(jié)果。其基本物理思想是：利用光纖和光纖器件的色散和非線(xiàn)性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光脈沖內(nèi)部的自拍頻，從而實(shí)現(xiàn)將一個(gè)單一的光學(xué)脈沖轉(zhuǎn)換為毫米頻率調(diào)制的光學(xué)脈沖，然后經(jīng)過(guò)高速的光電轉(zhuǎn)換后，形成一個(gè)高頻的毫米波脈沖信號(hào)，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。
文獻(xiàn)[14]最早介紹了這種光生毫米技術(shù)，如圖4所示。線(xiàn)性偏振入射光波的偏振方向與雙折射光纖的慢軸x方向成θ夾角；檢偏器以與光纖快軸成φ角放置。光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，存在兩偏振分量，同時(shí)，由于光線(xiàn)的色散效應(yīng)和非線(xiàn)性的自相位調(diào)制效應(yīng)，光譜發(fā)生頻移，經(jīng)檢偏器后兩分量發(fā)生差拍，即在一個(gè)脈沖包絡(luò)內(nèi)部發(fā)生高頻調(diào)制。這種高頻調(diào)制，可以是單一射頻頻率的調(diào)制，也可以是具有啁啾性的調(diào)制，取決于光纖和光脈沖參數(shù)的選擇和控制。
為了降低對(duì)于光纖和光脈沖參數(shù)的控制要求，有人采用一個(gè)馬赫-曾德干涉儀來(lái)代替雙折射光纖[14]。在這一實(shí)驗(yàn)中，由光纖激光器輸出的1 550 nm波段3 ps脈寬、250 MHz重復(fù)頻率的光波經(jīng)環(huán)行器后輸入到一個(gè)啁啾率為0.13 nm/cm的10 cm長(zhǎng)的啁啾光纖光柵上，光纖光柵反射后脈沖展寬為1 000 ps。馬赫-曾德干涉儀的一臂接入了一個(gè)可變時(shí)延器和一個(gè)偏振控制器，這樣，在干涉儀的第二個(gè)耦合器上，啁啾光脈沖的前沿就可能與后沿發(fā)生差拍，產(chǎn)生一個(gè)射頻調(diào)制的光脈沖。基于上述思想，一些其他的特殊無(wú)源新型的功能器件的光生毫米技術(shù)的產(chǎn)生方法也被提出。如利用一個(gè)具有雙峰值波長(zhǎng)的變跡莫爾光纖光柵濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波副載波信號(hào)的產(chǎn)生[15]。圖5顯示了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的示意簡(jiǎn)圖。輸入窄脈沖激光經(jīng)光纖環(huán)行器入射到光纖光柵并被其反射回到環(huán)行器，從另一端口輸出，采用的光纖光柵具有雙峰值波長(zhǎng)的光譜結(jié)構(gòu)。入射光譜被光纖光柵譜所調(diào)制，轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有雙峰值波長(zhǎng)光譜的光脈沖。當(dāng)這一光束被光電二極管接收時(shí)，雙波長(zhǎng)之間發(fā)生拍頻，在時(shí)域上轉(zhuǎn)換為一個(gè)與入射光脈沖時(shí)間和幅度相對(duì)應(yīng)的毫米波調(diào)制的脈沖串，構(gòu)成一個(gè)幅移鍵控(ASK)調(diào)制的毫米波副載波。其中，具有雙峰值波長(zhǎng)的光纖光柵可以通過(guò)光柵的逆工程方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種技術(shù)方案中，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的莫爾光柵，這種光柵目前在設(shè)計(jì)上和工藝上都已經(jīng)比較成熟。圖6為設(shè)計(jì)的修正的莫爾光纖光柵的折射率分布和反射譜。
此外，也可以利用簡(jiǎn)單低反射率腔的FP濾波器，實(shí)現(xiàn)脈沖的重復(fù)延時(shí)，形成高重復(fù)頻率超短脈沖序列，即毫米波脈沖包絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光生毫米波技術(shù)。其基本思路如圖7所示。進(jìn)行初步的理論分析[16]得到相關(guān)的器件特性參數(shù)與所產(chǎn)生的微波脈沖特性之間的關(guān)系，可通過(guò)調(diào)節(jié)FP腔的光程和反射率來(lái)控制輸出光學(xué)脈沖的重復(fù)頻率、消光比和包絡(luò)波形。初步的研究結(jié)果表明這一方案技術(shù)成熟，簡(jiǎn)單易行。為了改善毫米波脈沖包絡(luò)的質(zhì)量和性能，可以通過(guò)FP半導(dǎo)體光放大器(SOA)組合功能器件的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)，其基本思路如圖8所示。即利用SOA的驅(qū)動(dòng)電流脈沖的波形，產(chǎn)生具有所需時(shí)域波形的增益，來(lái)放大和控制光脈沖幅度，實(shí)現(xiàn)脈沖包絡(luò)的整形。這種方法可以將高頻重復(fù)脈沖序列的產(chǎn)生及其包絡(luò)波形的整形結(jié)合在一個(gè)器件上完成。
除此之外，其他一些組合的新型功能的光電器件技術(shù)也可以應(yīng)用來(lái)進(jìn)行毫米波副載波的光學(xué)產(chǎn)生，如參考文獻(xiàn)[17]提出的利用脈沖重復(fù)率倍增和時(shí)域泰伯效應(yīng)的組合光電子器件實(shí)現(xiàn)毫米波脈沖的產(chǎn)生(如圖9所示)，以及文獻(xiàn)[18]提出的級(jí)聯(lián)的Gires-Tournois干涉儀或環(huán)型諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波的光學(xué)產(chǎn)生(如圖10所示)等等，這些新型的功能器件的使用在一定程度上都對(duì)毫米波的性能起到了一定的改善作用，它們都為RoF技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推進(jìn)作用和相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備。
2 RoF接收端技術(shù)
RoF接收技術(shù)也是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。在RoF接收系統(tǒng)中，光載波的發(fā)射和接收全部在中心站完成，而在基站中只保留高速光電探測(cè)器、調(diào)制器和天線(xiàn)。這樣，從中心站發(fā)射的載波經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)竭_(dá)基站后，通過(guò)光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)化后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。而基站天線(xiàn)接收到的射頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制器被調(diào)制到光載波上并通過(guò)光纖傳送回中心站，由于基站中只有光電探測(cè)器、調(diào)制器和天線(xiàn)，整個(gè)體積可以得到很大縮減，成本也大大降低，為RoF密集型“蜂窩”的發(fā)展起到了較大的促進(jìn)作用。
2.1 UTC-PD光探測(cè)器
由RoF系統(tǒng)的配置可見(jiàn)，光纖鏈路接收端的高速的光探測(cè)器是另一個(gè)關(guān)鍵器件。它必須具有與常規(guī)光通信系統(tǒng)要求不同的性能：一是高速率；二是高功率輸出，即高的飽和工作點(diǎn)；三是能夠在器件上直接轉(zhuǎn)換為毫米波功率，并從微波天線(xiàn)發(fā)射出去；最后，當(dāng)然也要求價(jià)格低廉。一個(gè)能夠滿(mǎn)足這幾個(gè)要求的器件，單行波波導(dǎo)探測(cè)器(UTC-PD)，已經(jīng)問(wèn)世。其基本原理是，將電子利用為激活載流子，而將空穴限制在一定的區(qū)域，利用電子的高遷移率大大提高器件的響應(yīng)速率。UTC-PD還采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加光吸收的作用長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)最佳傳輸線(xiàn)阻抗，獲得高響應(yīng)速率和高飽和功率。它的能帶結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示，圖11(b)則是一個(gè)將發(fā)射天線(xiàn)與UTC-PD集成為一體的器件[19]。據(jù)文獻(xiàn)[20]報(bào)道，UTC-PD器件探測(cè)速度可達(dá)310 GHz、50 ?贅負(fù)載上輸出電壓達(dá)1.5 V(相當(dāng)于輸出功率7.5 dBm)，并已在RoF研發(fā)中被證明了其可行性[21]。
2.2 光子微波接收機(jī)
圖12是基于微腔的光子微波接收機(jī)[22]。由于采用了高Q值的光學(xué)微腔，利用光在微腔中的諧振，可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)制效率。同時(shí)采用的金屬電極也是一種微波諧振結(jié)構(gòu)，這樣在射頻信號(hào)耦合到電極的同時(shí)會(huì)因?yàn)槲⒉ǖ闹C振而被放大，從而克服了Moodie等人提出的結(jié)構(gòu)由于射頻能量損耗很大，只能用于短距離的無(wú)線(xiàn)通信的缺陷。利用這一種光子微波接收結(jié)構(gòu)，Levi等人實(shí)現(xiàn)了100 M/s的數(shù)據(jù)傳輸，與此同時(shí)，Ilchenko等人也利用這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了亞微瓦級(jí)的光子微波接收機(jī)。
2.3 電光調(diào)制器
在文獻(xiàn)[22]中，也有人設(shè)計(jì)了一種天線(xiàn)耦合的電光調(diào)制器，這種設(shè)計(jì)最初是為了實(shí)現(xiàn)接收的射頻信號(hào)和光載波相位匹配。調(diào)制器上的電極同時(shí)用作接收天線(xiàn)。電磁波以特定角度入射的時(shí)候，相臨的天線(xiàn)接收的信號(hào)間的相位差正好等于光波經(jīng)過(guò)它們之間距離的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)相位匹配。
3 結(jié)束語(yǔ)
如今，RoF 技術(shù)已是國(guó)際學(xué)術(shù)界微波毫米波領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，用于無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中，是微波光子學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)微波光子學(xué)中涉及的光源、調(diào)制器、傳輸介質(zhì)和探測(cè)器等器件技術(shù)作了大量的研究工作，正是微波光子學(xué)領(lǐng)域新型功能器件研究的快速發(fā)展，極大地推進(jìn)RoF 系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展。根據(jù)文獻(xiàn)資料的調(diào)研和相關(guān)市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，現(xiàn)階段RoF在移動(dòng)通信和個(gè)人通信中毫米波副載波光通信技術(shù)的真正使用，除了決定于新技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力，也在很大程度上有賴(lài)于相關(guān)關(guān)鍵功能器件技術(shù)的突破，這些研究與進(jìn)展都將決定RoF技術(shù)向市場(chǎng)化推進(jìn)的步伐。
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