微波光子学研究的进展

1 微波光子学产生的背景

光波分复用技术的出现和掺铒光纤放大器的发明使光通信得到迅速发展。光纤通信具有损耗低，抗电磁干扰，超宽带，易于在波长、空间、偏振上复用等很多优点，目前已实现了单路40～160 Gb/s、单根光纤10 Tb/s的传输。

随着容传输速率的不断提高，光纤系统需要在光发射和接收机中采用微波技术。

与此同时，随着对无线通信容量需求的增加，微波技术也在迅速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，实现与移动设备的互联；蜂窝式系统的出现，使微波通信具备高的频谱利用率。但目前微波频段的有限带宽成为严重问题，人们开始考虑30～70 GHz新频段的利用。60 GHz光载无线(ROF)系统由于接入速率高和不需要另外申请牌照等优点正成为宽带接入的热门技术。60 GHz信号在大气中的传输损耗高达14 dB/km，意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用。但传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，而光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理充满吸引力。

光纤技术与微波技术相互融合成为一个重要新方向。从理论上来讲，微波技术和光纤技术的理论基础都是电磁波波动理论。在光电器件中，当波长足够小时要考虑波动效应，采用电磁波理论来设计和研究光电器件，如波导型或行波型器件。理论基础的统一，使得微波器件和光电子器件可使用相同材料和技术在同一芯片上集成，这极大促进了两个学科的结合，促进了一门新的交叉学科——微波光子学的诞生。

微波光子学概念最早于1993年被提出[1]。其研究内容涉及了与微波技术和光纤技术相关的各个领域[2]。主要集中在两方面：一是解决传统的光纤通信技术向微波频段发展中的问题，包括激光器、光调制器、放大器、探测器和光纤传输链路的研究；二是利用光电子器件解决微波信号的产生和控制问题，主要有光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、光致微波电信号的合成和控制等。

2 微波光子学中的关键技术

2.1 利用光学方法产生微波信号

微波通信向30～70 GHz高频率的发展对传统微波器件是很大的挑战，此时利用光学技术产生微波信号展现出很大吸引力。利用光学技术产生微波的方法有多种，最简单的原理是光外差法。设两个光波的频率、相位和功率分别为?棕1、?棕2，?准1、?准2和P 1、P2。当两束频率相近，偏振态相同的光波同时入射到高频光探测器上进行拍频时，可以得到的输出电流为：

其中R为探测器的光电转换效率。不难看出，通过拍频可产生频率为|?棕1-?棕2|的微波信号，且产生信号的频率和相位不仅由两束光的频率差决定，也与相位差有关。为保证微波信号相位噪声低和稳定性，要求两束光有很高的相干性。为此近年来报道了许多用以消除激光器产生相位噪声的新方法。主要有光注入锁定法[3]、光学锁相环法[4]。但是光注入锁相法的锁定范围很小，典型值为几百兆赫兹。光学锁相环方法要求从激光器要跟得上主激光器的相位变化，这需要很小的环路延迟，两种方法还都需要外加稳定的微波信号源，这增加了成本，不利于实用化和产品化。

利用集成技术，可将两个激光器做在一起。这样两束光产生于同一增益介质中，相干性好，可避免采用锁定技术。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42 GHz信号的输出。

近来利用双波长光纤激光器的技术正在发展。光纤激光器结构轻巧，成本低。一般的光纤激光器中增益介质多采用掺铒光纤，具有均匀加宽特性。人们采用了各种方法抑制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3～60 GHz不等的微波信号。如利用低温抑制均匀加宽[5]，分布色散腔，偏振烧孔，空间烧孔，部分分离结构双波长DFB光纤激光器[6]等。

另一种光生微波方法则利用光外调制技术[7]，如图1所示。外调制器为强度或相位调制器。如为线性调制，可产生2倍于调制频率的差频信号。如采用深调制技术，可产生4倍调制频率的微波信号。利用光外调制方法的优点是通过改变微波调制信号的频率能够实现频率的可调谐。与前一种方法相比，这种方法产生的微波信号的稳定性和相位噪声取决于微波调制信号和调制器，对器件要求相对较低。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。中国近年在这方面有了很多报导，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[8]。

需要注意的是，