微波光子学的应用

微波光子学的应用

1光纤通信的特性信息技术的发展促进了微波通信和光纤通信的快速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构,而且能实现与移动和手提设备的互联;它传输成本低(通过大气传输),采用蜂窝式系统具备高效的频率利用率。微波通信面临的主要问题在于微波传输介质对于高频微波进行长距离传输时具有很大的损耗,从而导致使用频率的高频扩展受限。此外,电磁辐射对人体安全的影响也越来越得到人们的关注。光纤通信的特点是体积小、重量轻;超宽带(>40THz)低损;可以实现几十Gbit/s的信号传输,在波长、频率、空间上可多路合成;易于多路合成和分解及灵活的网络结构;抗电磁干扰,无有害辐射,光纤通信的主要问题是移动性不够。随着高容量信息技术需求的高速发展和微波学与光学两门学科的优势结合,形成了一门新学科——微波光子学,实现了微波和光波之间的转换。微波可以提供低成本可移动无线连接方式,而光纤提供低损宽带连接和抗电磁干扰特性。在光纤中可以实现射频波或更高频段信号的无衰减、无信道间相互干扰的带通传输,与传统的微波传输系统比,具有体积小、重量轻、成本低,损耗小,抗电磁干扰,大带宽,低色散、高容量等特点。微波信号的光处理技术能提供更高的微波频率,克服电信号处理电路中有限的信号取样和控制速度。可实现高速信号处理、宽带取样及并行操作,且相对成本低。2微波光子学网络系统作为研究微波或毫米波波段的高速光子器件及其在微波/光波系统中的应用的一门新兴学科,微波光子学在器件和系统方面都有众多的研究方向。其器件和子系统类的方向包括:◆高速宽带光子器件:包括激光器、调制器、放大器、探测器、信号处理器(例如延时、谱分析、频率转换、信号综合、滤波、信道选择、数据转换等等);◆光致电信号合成和控制:从微波到THz波;◆超快速光探测和测量;◆光子器件与电路的芯片集成;微波光子学在系统和其他的应用包括:◆光馈信号无线和蜂窝式无线系统/网络;◆副载波复用和CATV系统;◆基于不同调制格式的光纤通信;◆卫星光通信系统;◆微波光子系统的设计和建模;下面我们具体从微波光子学的RoF系统和光控相控阵这两个主要应用领域的现状来探讨微波光子学研究意义和前景,对其它应用领域也进行简单的介绍。3rof发展趋势RoF系统的主要优点是实现了微波和光线之间的转换,结合了微波和光纤通信的优势。RoF系统使射频微波在光纤中实现无衰减,无信道间的相互干扰的射频波带通传输。其主要应用包括:RoF无线局域网,天线遥感,宽带视频分配网络,RoF无线个人通信网络等。RoF无线局域网(例如在机场或商场)是通过光纤把信号反馈到无线接入点(AP),然后AP能够在几十至上百米的范围内(微蜂窝)或室内(微微蜂窝)连接多个无线用户,实现多业务信号传输和交换,如图1所示。RoF无线局域网与传统无线局域网相比的优势在于:在满足信号覆盖整个局域范围内实现只有一个接入点,能降低接入点的复杂度、降低系统成本,并且高频信号的扩展可以提供宽带、多业务服务。据ABIResearch的市场预测,到2009年,世界上超过一半以上的使用无线局域网的办公楼将使用RoF。表1所列出的是目前无线局域网发展的主要规格。基于RoF技术,可以适用于不同频段的无线局域网,随着宽带和多业务信息需求的增加,基于60GHz频段的RoF的无线局域网成为研究的热点之一。RoF无线个人通信网络也是RoF系统重要应用之一。随着移动用户量的急速增加,系统不但要满足实时(realtime)、无缝隙(seamless)和不间断(continuous)通信,同时也要有承载宽带和多业务的能力。RoF系统的诞生无疑为智能通信系统的实现提供了一个实现模型(如图2),利用光纤传输高频宽带RF模拟信号实现中心站与基站的连接。这种RoF无线通信系统能有效的降低基站(BS)的安装复杂性,便于扩容;降低BS覆盖区域,从而降低手持终端的功率损耗;提供宽带、广带网络通信和实时移动画面传输等,使得用户拥有更大的可用带宽。RoF智能交通系统也是当前研究的热点之一。随着现代社会经济的高度发展,交通安全问题也成为世界各国亟待解决的主要问题之一。图3所示的是日本YOKOSUKA无线通信研究中心在1998年末研究构建的一个未来RoF智能交通(ITS)系统图。沿着公路建立本地基站,利用RoF系统实现中心站与基站之间大信息量控制信息传输,提供道路监控、交通信息服务与管理、自动计费等,有的还包括公交信息系统、商业车辆管理系统、电子泊车系统等智能交通管理信息;再由基站天线向快速运行的交通车提供信息传输。这个RoF的智能交通系统的工作频段在36～37GHz之间。而车与车之间采用60GHz波段的毫米波防撞雷达系统实现实时监测车辆的前方,避免追尾相撞。基于RoF的ITS系统的优点在于:信息运载能力强,系统成本低,抗干扰能力强。2001年以日本YOKOSUKA研究园(YRP)为主的多个相关研究机构合作建立了RF工作频率为5.8GHz的多种基带信号传输的RoF—ITS现场实验系统。并于2002年3月在YRP园区成功举办了面向公众的ITS开放体验日。目前的研究重点在向更高频段毫米波36～37GHz的路—车间RoF智能交通通信系统发展,可以预见,在不久的将来RoF智能交通系统将走向实用化。RoF系统的主要研究方向包括,高性能的半导体激光器(高线性度(低失真)、低噪声、低成本封装);高带宽外调制器(>40GHz);高速高功率光电转换器;链路性能分析研究(伪自由动态范围SFDR、噪声等);光纤毫米波(26～110GHz)系统(能提供宽带多媒体业务、固定和移动无线接入),其包括:毫米波的产生、微波信号的光处理、控制;基于RoF的无线移动(800M～2.2GHz)—分布式天线系统研究,主要包括:系统的噪声和信号失真分析、高性能激光器、多业务系统网络管理等方面。4光控微波束形成网络的应用相控阵天线具有可靠性高、探测能力强、扫描速度快、抗干扰能力强,多波束、实时切换、无惯性跟踪等功能及特点,因此广泛应用于雷达、通信等领域。在军事领域,为了提高抗干扰能力、为了提高雷达的分辨率、识别能力和解决多目标成像问题,对抗反辐射导弹的威胁相控阵雷达必须具有大的瞬时带宽(>10%),需要使用光真延时技术——光控PAA,将在后面详细解释。在移动通信系统领域,移动用户量的剧增、多业务服务导致系统带宽急剧增长,从而需要基于光控波束形成网络的智能天线。光控宽带相控阵雷达优点不但能消除波束倾斜效应,获得最佳的波束扫描,还具有扫描速度快,分辨率高,抗干扰能力强,大幅度的减轻体积、重量,十分适用于机载雷达系统。其关键问题是光控微波束形成网络——延时精度、幅度和相位一致性,如图4所示。RF调制的光信号分配到各阵元幅度相位控制单元(移相器或延时模块),在输出端由于干涉作用,RF信号会在某一指向形成零级干涉,从而实现对该方向的波束指向。波束指向的方向θ由移相器ψn或延时模块τn决定:对于宽带信号(带宽为Δfr),由于移相器引入的相位ψn为常数,则由(1)式中第一等式可得:即频带宽度Δfr引起了波束偏斜Δθ。而采用真延时模块τn则实现了波束指向不随RF频率偏移。所以,具有精确延时精度的光控微波束形成网络是确保宽带信号波束精确定点指向的关键部分(例如:对于10GHz的微波信号,波束指向精度在1°内要求延时精度在亚ps量级)。同时,对于线性相控阵系统,其幅度和相位的一致性是确保波束形成信号质量的关键指标。光真延时技术实现方案有多种:使用不同延迟线的开关控制型,自由空间实时延迟,路径色散实时延迟,集成光波导技术,压电效应实时延迟技术,多波长实时延迟线等。光控宽带相控阵雷达发展趋势从L波段、X波段、K波段到MMW波段、THz波段,不断向高频发展。光控相控阵天线在通信中的应用是光控智能天线。智能天线是一种多天线技术,采用天线阵列形成可控的波束,指向并随时跟踪用户。它具有增加通信容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站发射功率,并具有定位功能的优点;能减少多径衰落影响,获得更多的用户数或更高数据率。其关键部分之一:光控波束形成网络,可实现大容量的微波信号在光控微波波束形成网络的控制下可以形成理想的波束。图5所示的是光控智能天线的基本结构图。它不但能在光域内对每个阵列信号的波束方向控制,还能实现空间分集技术克服无线传输中的多径衰落现象。目前主要研究方向是集成小型化光控智能天线的波束形成器研究和大于40GHz的光控智能天线研究。2004年Alameh、K.E等人设计了一个集成微光宽带智能天线的波束形成器,6个阵元结构,尺寸仅有24×24×20mm3。5微波基本原理微波信号的光处理也是微波光子学的重要应用方向。它能提供更高的微波频率,克服电信号处理电路中有限精度的信号取样(传统电信号处理方式能提供的取样频率最大仅为几GHz,而采用光处理技术能实现大于100GHz的取样频率)和控制速度,实现宽带取样和并行操作,相对成本低。其主要研究方向有:光控的A/D转换器(脉冲激光器结合光电导体获得取样微波信号)和可调谐的光微波滤波器。目前实现光控A/D转换的方法很多,仍处在研究阶段,未实用化。利用光延时实现微波滤波是实现高频信号处理的有效技术,也成为很多研究机构研究热点之一。此外,THz系统也是微波光子学中一个重要的研究方向。THz是介于微波和红外之间的波段(频率从0.1到几十THz(3mm～10μm)),THz技术是近20年来发展起来的一种新型技术。由于物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息,使其在诸如成像检测、环境监测、医疗诊断、卫星通信、宽带移动通讯、军事雷达等方面具有重大的应用前景和科学价值。随着飞秒(10-15s)激光技术的发展和逐渐成熟,使得THz波的研究获得了有效激励源。THz波的广阔应用前景引起世界很多研究组浓厚的研究兴趣。主要研究方向包括THz的光发射器(有效、高精度的固态微芯片激光器和THz信号发生源)(目前效率仅2%),O/THz转换模块(接收模块),THz辐射与物质的相互作用研究以及THz波在成像检测、医疗诊断、THz相控阵雷达、生物医学、THz波通信等领域的应用