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关于微波光子学的最新进展研究1微波光子学的发展背景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。1.1传统微波通信面临的难题信息技术的发展促进了微波通信和光纤通信的迅速发展，微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构,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。现如今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，如何改善微波通信，降低因通信而产生的电磁辐射便成为了当今研究的热点。1.2微波光子学的诞生微波可以提供低成本可移动无线连接方式,而光纤可以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相比,微波光子具有体积小、重量轻、成本低,、损耗小、带宽充裕、色散较低、容量高以及能抗电磁干扰等特点，此外，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。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，从而实现了微波和光波之间的转换，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，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微波光子学技术特点分析2.1微波技术分析由于微波通信与光通信的发展,微波通讯得到了广泛的运用,但信息量的传输主要依赖于频率,因此微波技术最重要的问题是扩展可使用频率的上限。在微波的传输上,有两类金属传输波导:一个是双线波导,一个是中空波导。双线波导在基模式下没有截止特性,直流和低频均可以传输,基模式是TEM模。双线TEM模式的功率损耗随频率的平方根递增，中空波导不能够传输直流,基模式也不适用于长距离传输线，至于微波的大气传输,在10GHz以下，损耗低,但超过10GHz,由于雨雾的吸收,衰减增大。所以毫米波也不适用于远距离的大气传输。如果能够有一种方案实现低损长距离传输微波,则可以扩展微波的运用至毫米波波段。现在基带传输能够达到几个Gb/s,并且还可以达到几十Gb/s,光纤的损耗也有带通特性,它主要取决于机械色(频率下限)和红外吸收(频率上限)。2.2射频微波、光纤优势射频微波的优点:能够在任意方向上发射;易于构建和重构;能够与移动和手提设备互联;传输成本低(大气传输);采用蜂窝式系统的高频利用效率。光纤的优点:体积小、重量轻、机械灵活性大;超宽带低损;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;不受电的影响。2.3微波光子学技术优势微波光子集中了射频波和光线的优点,能在射频波和光线之间的透明转换微波，提供了低成本可移动无线连接方式,而光纤提供了低损宽带连接,该连接方式不受电的影响。在光纤中实现射频波的带通传输,无衰减,无信道间的相互干扰，电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号的处理,以光子取代电子,在较高的速率处理信号,这样就可以避免电子瓶颈，也可利用光的相干特性和无源光波导去编码、解码光纤通信链路上的信息。对于将来的高波特率局域网和计算机互连,这些技术可以为透明、光多点接入提供基础，它们也具有很好的安全特性,对于公共系统上的私人光网建设很有吸引力。3微波光子学中关键技术分析3.1利用光学方法产生微波信号微波通信向30-70GHz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了明显的优势，用光学技术产生微波的方法有多种，原理最简单是光外差法，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，出现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、光学锁相环法，，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，并且两种方法都需要外加稳定的微波信号源，所以增加了成本，不利于实用化和产品化。另外一种光生微波的方法是光外调制技术，利用光外调制技术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，对相应器件要求相对较低。3.2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。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。3.3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；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1.55μm波段1.5THz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。3.4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。随着ROF系统研究的入，微波光子滤波器在通信系统中别是在毫米波ROF系统中得到应用。3.5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作用可在光域实现对微波信号进行放大。光信号经掺铒光纤放大器放大后被光带通滤波器滤除自发辐射噪声，最后输入光接收机恢复出放大后的微波信号。4微波光子学的系统应用近年来微波光子学的重要应用目标是利用光纤进行无线通信的微波载波信号的传输，即研究光纤内射频传输系统，即如光载无线(ROF)通信系统。ROF结合了微波和光纤通信的优势，使得微波在光纤中实现了低损耗传输。ROF可用于实现中心局与各个微蜂窝天线之间的信号传送和分配，其优点在于可将复杂的微波处理单元放置于中心局，而基站部分仅只有光电转换单元和微波发射天线两部分，基站结构简单可大大降低成本，有利于提高频率复用度和蜂窝密度。ROF技术对于频率和调制格式完全透明，频率和调制格式变化时不需要改变基站，只需对中心站进行升级，非常有利于无线通信网络的升级换代。军事方面的应用是微波光子学的重大研究领域。它在相控阵雷达、雷达天线光纤拉远系统等应用中有明显的优点，如光控微波波束形成网络利用光控实时时延器件以馈线网络分布结构对多信道微波信号进行功率分配、移相、功率合成等处理，实现对微波信号空间分布的控制。光控宽带相控阵雷达具有扫描速度快、分辨率高、抗干扰能力强、能大幅度减小体积和重量，十分适用于机载、舰载雷达系统。该技术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的数据率。微波光子学的研究成果也广泛应用到智能交通，高速公路交通通信系统和超高速列车通信系统中。基于ROF的交通通信系统能够支持快速的交接管理和动态带宽分配，在移动通信、车辆通信领域具有强大的竞争力。5结束语作为一门新兴的交叉学科，微波光子学有着广泛的应用前景。除了在有线电视、ROF通信和雷达中的应用外，微波光子学未来可能的应用还包括广播、无线多媒体业务、高清视频流、吉比特无线局域网、个域网、光探测与测量和射电天文学等，并可期待在太赫兹技术、高灵敏度传感和量子密钥分配等领域获得进一步研究与发展。