微波光子学研究的进展

由于高频电子器件的进步，目前市场上已有60 GHz以下商品微波源模块出售，光生微波的方法应向更高频率发展才能体现自己的优势，目前最高频率的报导是产生了1 000 GHz、25 ?滋W的拍频输出[9]，进入了太赫兹技术领域。此外，利用半导体光放大器的增益饱和恢复特性及光学偏振调制、色散效应等在光域产生并传输超宽带脉冲信号，仍然是有吸引力的。它能为光载超宽带(UWBOF)通信提供与光纤系统兼容性良好的UWB脉冲光源[10]。

2.2 光调制器

用光纤传输微波副载波信号对光调制器提出了适应调制的新要求。直接调制技术简单，它通过改变半导体激光器注入电流将微波副载波信号直接加载到光波上。直接调制带宽受到激光器谐振频率的限制。采用量子结构能够减小半导体激光器的阈值电流，增加微分增益，提高带宽。为了进一步增加带宽，需要减小光子寿命和增益压缩系数。但是由于增益压缩系数的限制，在室温下直接调制带宽很难超过30 GHz。

为能将60 GHz左右或更高的微波信号调制到光载波需要采用外调制技术。采用行波结构的LiNbO3调制器，可实现70 GHz的带宽[11]。也可采用电吸收调制器，由于其体积小、驱动电压低，便于与激光器、光检测器等集成为一体，是很有发展前景的一种光调制器件。

在调制技术方面有一些灵活变通的方法，如频率上转换法和光外差法。频率上转换法将较低频率的微波信号调制到光上传输，在基站实现频率上转化，得到高频微波信号，这样虽降低了光调制器的要求，但增加了基站的复杂程度；光外差法通过传输两路具有一定频率差的光信号，光上调制有基带信号，在基站将两个光波拍频得到微波信号，但这种方法将受到光纤色散的影响。

2.3 光探测器

在微波光子学中实用的光探测器必须具有与常规光通信系统要求不同的性能：一是高速率；二是高功率输出，即高的饱和工作点；三是在器件上直接转换为微波功率，并从微波天线发射出去。目前能够满足上述要求的器件称为单一渡越载流子光电二极管(UTC-PD)。在这一器件中只有电子被利用为激活载流子，而空穴被限制在一定的区域。利用电子的高迁移率，大大提高了器件的响应速率。并采用波导结构，增加光吸收的作用长度；设计最佳的传输线阻抗，获得高响应速率和高的饱和功率。据报道，已获得1.55 ?滋m波段1.5 THz信号的检测，并有了将UTC-PD与发射天线或与调制器做成单片集成器件的报导。

2.4 微波光子滤波器

微波光子滤波器是光子信号处理技术的重要内容。在电域内处理信号受频带和采样频率的限制，处理速度和精度都受到影响，称为电子"瓶颈"。微波光子滤波器提供了一种解决传统"瓶颈"问题的新方法。输入的射频(RF)信号通过调制器调制到光信号上，RF信号的处理在光域进行，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号。采用这种方法的优点是：低损耗、高带宽、不受电磁干扰、重量轻和支持高采样频率，使用波分复用技术还提供了空间和波长并行处理的可行性。

微波光子滤波器起初应用于需要高速信号处理能力的雷达系统和航空航天领域。随着ROF系统研究的深入，微波光子滤波器在通信系统中特别是在毫米波ROF系统中得到应用。目前国际上的研究集中在设计新型滤波器结构以实现Q值更高的频率响应、负抽头系数、可调性、可重构和更大的动态范围等。传统的方法有两种：第一种方法是用电差分的结构，早在1995年便实现了此种结构，但此种方法可调性和可重构性很差，而且受电器件带宽限制；第二种方法是利用复杂的光电器件实现全系数的滤波器，但此种方法成本很高。最近，很多新型低成本的结构被报导用来实现具有负系数的微波光子滤波器。其中利用偏振态和外调制器的方法最有吸引力[12]。另一方面，在ROF系统中，微波光子滤波功能和其他信号处理功能的结合将会大大降低系统成本和加强功能集中化。

2.5 模数转换器

在某些模拟系统如雷达和宽带通信系统中，采用数字信号处理方法具有更好性能和快速重构性。电域中模数转换器的弱点随频率的升高逐渐明显，原因在于CMOS数字转化器受采样时钟抖动、采样保持电路稳定时间、比较器的处理速度等因素的限制。数字信号处理中可用的100 GHz抽样的模数转换器很难实现。微波光子学提出的方法称为光学时间拉伸，抽样频率可达480 GHz，并有96 GHz的带宽[13]。光学时间拉伸的基本原理是利用光子处理过程减慢电信号速度以改善电域中的模数转换器。光处理过程有3步：波长-时间转换、波长域处理、波长-时间映射。转换后的慢速电信号可用常规模数转换器(A/D)进行变换。

2.6 光域微波放大器

利用常见的掺铒光纤放大器的增益和光与微波的相互