李海鸥;李思敏;陈明;陈辉
【摘 要】Microwave photonics technology, a new and hot research area, is combined both microwave technologies and photonics technologies. It includes all the advantages of the two kinds of system, for example, the flexibility for the wireless microwave system and the huge communication capacitance, low-losses and electromagnetic interference isolation and so on for photonic systems. The basic concepts and several key techniques are introduced. Also, the applications of the microwave photonics technologies are demonstrated and futuristic research for microwave photonics is prospected.%微波光子技术是融合微波技术和光子技术的一门新兴前沿技术,它集成了无线通信的灵活性和光通信的大容量特性、低损耗和抗电磁干扰等特性而迅速成为研究热点.介绍了微波光子系统的基本构想和几种关键技术,回顾和展望微波光子技术的应用以及未来的研究动向. 【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2011(035)008
【总页数】5页(P24-28)
【关键词】微波光子;光载无线;光生微波
【作 者】李海鸥;李思敏;陈明;陈辉
【作者单位】桂林电子科技大学,广西桂林541004;桂林电子科技大学,广西桂林541004;桂林电子科技大学,广西桂林541004;桂林电子科技大学,广西桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】TN929.18
0 引言
近年来，随着新用户和带宽需求的不断增加，光网络建设无处不在。与此同时，无线频谱资源却越来越紧张。于是，人们将研究目光转向光纤通信与毫米波技术的结合，光载无线系统（Radio over Fiber,RoF）迅速成为人们的研究热点[1]。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，
qam
调制器
促进了一门新的交叉学科——微波光子学（Microwave Photonics）应运而生[2-3]。微波光子学概念最早于1993年被提出[4]，迅速发展成为一门新兴的交叉学科，它集微波和光信号的传输、处理等优势于一身，具备低损耗、高带宽、强抗干扰能力和高保密性等优点。相比较而言，高频信号长距离传输具有很大损耗，大大限制微波信号的带宽，使得微波通信无法完全满足高容量信息通信技术的要求，而光纤通信具有巨大的通信带宽、极低的传输损耗、较高的保密特性等优势，但是在移动性方面则要逊于微波通信。微波光子学研究内容涉及了与微波技术和光纤技术相关的各个领域[1-4]。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。 1 微波光子学的关键技术
1.1 微波信号光学生成技术
高频毫米波信号是微波光子系统最关键的技术之一，但是毫米波段频率已达到几十千兆赫兹到上百千兆赫兹，光调制器件的速度往往很难满足要求，通过传统的技术产生30GHz以
上、性能优良的微波信号比较困难。但是，通过光学拍频的方法则很容易实现几十千兆赫兹到上百千兆赫兹的光载毫米波载波（比如在民用光纤通信1550nm波段，0.8nm的光频差就达到100GHz）。1995年，英国电信（BT）研究院的David Wake首次利用一种多纵模DFB激光器的两个纵模进行拍频，实现了微波信号的四倍频，获得了一个42GHz的毫米波信号的输出。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可以获得光载波和两个二次光边带分量，用一个FBG滤波器滤去光载波分量就可以获得两个二次光边带，然后拍频实现微波信号的光学四次倍频，从而可以获得一个32～50GHz宽带可调节的毫米波信号。2006年，清华大学课题组设计了一种新型结构的双波长光纤激光器，通过拍频可以产生频率范围20～60GHz变化的微波信号。上海交通大学课题组与佐治亚理工大学G.K.Chang课题组合作，提出了利用集成双平行马赫-曾德调制器产生光毫米波的方法。2008年，湖南大学文双春研究小组利用单个相位调制器，利用频率为20GHz的信号产生频率为40GHz的毫米波[6]。
近年来，毫米波信号的光学产生技术的研究工作已经有很多报道，提出了很多研究方案，取得了较大的研究进展，但是离实际应用还有一定的距离。直接强度调制是最简单的毫米波产生技术，利用毫米波直接调制光源的驱动电流，实现对光信号的强度调制。其系统简
单，成本低，容易实现，但是当调制频率接近光源的弛豫振荡频率时，信号严重畸变，限制了调制带宽和调制频率，频率啁啾使得输出光谱变宽，光源光谱特性变差，故直接调制多用于低频微波光子系统。外调制技术可以提供更高的调制带宽，一般为20～40GHz，甚至可达70GHz以上。
光外差法（Optical Heterodyne Method）产生毫米波技术最初用于外差探测，将两束波长相近光波，在光探测器处拍频产生射频信号，产生信号频率由两光波的频率差决定，幅度由两光波矢量场的内积决定。
光外差系统可分为单光源和双光源外差系统。前者是将单个激光器输出的光波经过调制产生一系列的边带，经过光学滤波器得到所需要的频谱成分。单光源系统的优点是参与光外差的两束光来自同一激光器，相位相关性好，生成的毫米波受相位噪声影响较小，信号频谱较窄。系统的不足之处是必须精确跟踪选择的谐波，滤波器的品质因子要求很高，系统的复杂性较高，可调谐性较差。对于双光源系统来说，参与光外差的两光波来源于不同的激光器，使用双激光光源的优势是系统简单，选择线宽特性较好的单纵模激光器可以生成较窄带宽的微波毫米波，系统的缺点是两激光器之间的相位和幅度等难以控制，产生的信
号含有相位噪声，频率稳定性和质量较差。为此，人们提出了光注入锁定法、光锁相环和光注入锁相环法等方法来减少激光器随机相位噪声的影响。
1.2 微波信号光调制技术
微波光子系统传统的调制方式包括双边带调制、单边带调制和载波抑制双边带调制。毫米波信号直接注入激光器或者外部调制激光器的输出光强，产生双边带信号，在接收端，每个边带和中心载波拍频各产生一个拍频信号，两拍频信号叠加恢复毫米波信号，该方法实现简单，不需增加配置，成本低，但是，双边带信号在光纤中传输受到散的严重影响，导致上/下两边带的相位噪声，生成毫米波信号的功率衰减严重。为了克服散的影响，采用单边带调制技术，由于在接收端只有一个边带和中心载波拍频，避免了光纤散的影响，增加了毫米波信号的光纤传输距离，该方案容易与DWDM系统融合，还可以用于波长重用的全双工系统，具有广泛的应用前景。基于载波抑制方式产生毫米波信号具有抗散能力强、接收灵敏度高、毫米波频率范围宽等优点成为研究的热点，该方案是使用载波抑制技术，使得接收端上下边带进行拍频，产生两倍于调制信号甚至更高频率的毫米波。
微波光子系统经光电变换后的信号是为了由天线发射出去应用在无线接入网中，而毫米波信号在空气中衰减严重，为了保证信号在空气中的传输质量，需要采取一定的调制和编码方式来优化传输性能并提高频谱利用率，有效增加传输系统的容量距离积[7]。图1给出了几种微波光子系统使用的调制格式的星座图。图1（a）中，振幅键控根据信号的不同，调节载波的幅度，ASK是一种高效的调制方式，但是抗噪声能力差，抵抗衰落的能力不强，一般只适宜在恒参数信道下采用，由于其易于解调，常被用于高速微波光子系统实验中。图1（b）中，相移键控调制载波相位，接收机上有精确和稳定的参考相位，解调时需要使用锁相环，结构复杂。PSK调制格式的优点是包络起伏小，在相同平均符号功率下，MPSK的误符号率小于MASK，DPSK具有较好的抗非线性能力。频移键控（FSK）调制载波频率，实现起来较容易，抗噪声和衰落性能较好，在中低速传输中应用广泛，但在微波光子系统中应用较少。图1（c）中，正交幅度调制将输入比特信号进行串并变换，变成两路并行信号，即I、Q分量后分别进行幅度调制，频谱利用率比ASK提高1倍，QAM与其它调制技术相比，能够充分利用带宽，抗噪声能力强，广泛应用于各类微波光子系统中。振幅联合调制技术，如图1（d）中的ASK/DPSK、ASK/QPSK、ASK/8DPSK、4ASK/8DPSK等，采用平衡检测技术，DPSK、DQPSK可以获得比ASK高3dB的接收机灵敏度和较高的传输效
率。QAM也是幅度相位联合调制技术，按照星座排列方式的不同，可分为星型QAM和方形QAM，如图1（e）、图1（f）所示。星型QAM便于实现便速率调制，很适合根据信道及业务需要分级传输的情况，方形QAM必须使用相干解调的方式接收。采用哪种调制格式和编码方式，需要针对系统设计的复杂度、带宽和功率的要求以及系统能够的承受误码率而采取相应的优化折衷方案。
图1 RoF系统的调制格式星座图
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