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项目名称：新型宽带大动态毫米波器件及应用中的微波光子学基础研究首席科学家：郑小平清华大学起止年限：2012年1月-2016年8月依托部门：教育部一、研究内容围绕三个关键科学问题，对六项内容展开研究：1.基于全光频域信号变换的复杂宽带毫米波信号的产生（1）光频梳新原理与新方法研究研究以较低频率的微波调制信号通过电光调制变换产生宽带光谱的新方法。研究激光器相位噪声与微波信号的相互作用机理，揭示光源相位噪声对输出谱线相位影响的内在规律；探索进一步增大输出光谱可利用带宽的新方法。（2）光学非线性光频谱扩展与光频梳稳定的机制研究将基于非线性光学理论，研究多谱线光谱扩展与稳定的方法。研究高功率密度的多光频分量在高非线性器件中的相互作用机理，揭示非线性过程对频谱相位噪声影响的内在规律；研究高转换效率的非线性光谱展宽技术和相关器件的实现方法；研究反馈控制回路特性、光腔稳定方法等对频谱噪声、抖动等特性的影响，探索获得高稳定度带宽光谱输出的新方法。（3）全光频域信号变换机制对光生毫米波信号保真度的作用研究研究全光频域信号变换中的信号失真与混叠机理；研究空域光束分布及变换方式等对波形失真影响的机理。2.光波相位控制机理与毫米波稳相传输（1）毫米波光纤传输中相位噪声的形成与演化过程研究研究光纤色散、非线性、偏振效应与毫米波相位噪声之间的物理关联性，揭示毫米波光纤传输中相位噪声的形成与演化机理，为毫米波传输相位噪声的控制提供依据。（2）光纤传输的时域非互易性规律及其对稳相精度的影响研究探索基于时域非互易的光纤传输稳相理论，研究非互易性控制方法。重点研究光纤相位扰动互易性与光纤物理参数之间的规律；研究高精度、大范围的光波相位误差检测理论和方法，创建基于光波相位误差检测的光纤传输相位测量系统；探索新型的相位校正理论和方法。（3）毫米波相位控制机制与毫米波光子移相器的研究光波相位与毫米波相位之间的相互作用和控制机制，研究基于光波相位控制的毫米波光子相位控制方法；研制相应的毫米波光子移相器。（4）相位误差检测机制与光波、毫米波鉴相器的研究研究毫米波鉴相精度与非线性混频效率和激光相位噪声之间的物理关联性，研究基于光学非线性效应的毫米波相位误差检测机制；研制高精度的毫米波光子鉴相器。3.光-毫米波频谱转换理论与宽带毫米波的动态可重构信号处理（1）光载毫米波信道化滤波器的原理与方法研究PS-FBG的结构、提高PS-FBG通带和截止带之间过渡带斜率的工艺。面向频率覆盖至300GHz及以上频段，研究增强PS-FBG透过谱带宽的理论与工艺。研究基于上述成果的平面波导结构与实现方法。（2）突破高Q、可重构矛盾的毫米波光子滤波器的新原理与新方法研究光子IIR滤波器的可调谐性与可重构性；研究IIR滤波器串联时相干串扰消除的理论与方法；研究扩展自由谱区的理论与方法。（3）基于动态可重构毫米波滤波器的链路色散补偿原理与方法研究光子器件色散对毫米波性能的影响规律，研究滤波器光波-毫米波的色散关系模型；研究利用滤波器动态特性进行色散补偿的机制与方法。（4）宽带毫米波光子器件非线性补偿原理与方法研究利用滤波器动态特性进行非线性失真控制的机制与方法；探索新的物理思路与频谱控制方式，研究对毫米波进行色散与非线性共同补偿的原理与方法。4.超宽带光频谱延时机理与毫米波全光真延时器件（1）光域频谱隔离和延时调控机理研究研究光域隔离不同功能毫米波光子器件的原理；研究基于光谱隔离的宽带光谱调谐原理与方法；研究支持毫米波光子器件功能集成的、基于色散的宽谱信号真延时调控机制与实现方法。（2）光子器件的色散对毫米波真延时的影响研究研究光谱调谐过程中毫米波光信号的转换规律，研究宽光谱毫米波信号经过色散光器件后延时随毫米波频率的变化规律；研究消除高阶色散影响的机理与改善延时频率平坦度的方法。（3）毫米波光子延时器延时精度改善的物理机制研究研究光子色散器件（光纤光栅、光子晶体光纤、光学谐振环）的色散特性与时延抖动产生、演变和抑制机理；研究降低噪声的光谱优化方法；研究新型的光真时延材料与结构，研究其品质因数、阻带宽度及不同调制格式等多种因素对时延抖动的影响，研究器件多种参数联合优化的策略与方法，实现高精度、可控性强的毫米波延时器。5.光-毫米波信号大动态范围转换机理与器件（1）光电噪声的演化规律、压缩方法及其对链路最小可探测功率的物理制约研究研究光毫米波链路各种光电噪声产生与演化过程中的统计规律，探索噪声对链路最小可探测功率的物理制约机理，探讨在上变频过程中通过光频谱设计降低相对光强度噪声的方法；在下变频过程中，研究基于相干平衡检测的噪声压缩模型，提高双输出差模信号、降低光强度噪声共模信号；研究基于数字信号处理的新型相位噪声补偿机制。研究基于光电循环振荡的模式选择和放大机理，探索微弱毫米波信号谐振放大的新方法。（2）毫米波信号高线性度上变频机理研究研究变频过程中非线性失真（谐波失真、交调失真、交叉调制失真）产生机理，及其对链路无失真最大可探测功率的物理制约；探索通过优化调制器的驱动条件和参数设置提高线性度及抑制非线性失真的方法；探索预失真补偿和低偏置、双平行调制器等新方法、新结构在上变频过程中的应用；探索满足各种应用需求的光谱结构生成方法；研制高线性度的上变频子系统。（3）光毫米波信号高灵敏度下变频机制研究研究适合光毫米波链路的高灵敏度相干下变频方法；建立包含光纤链路的各种因素（包括相位噪声、色散和PMD效应、损耗、非线性效应等）和无线链路中各种因素（阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应等）的光毫米波链路理论模型；研究各种损伤与相位噪声补偿的数字信号处理机理与算法；发展光毫米波体制下的相干检测器件及下变频子系统；研制高灵敏度的下变频子系统。（4）支撑大动态毫米波-光波上下变频的高性能光子器件研究探索基于低维结构改性的半导体电光系数增强新方法；面向高光功率条件下的载流子产生与输运调控，研究探测材料能带结构的设计方法；研究基于材料和器件结构协同的光波与毫米波模场优化、传播速度匹配设计，探索高饱和光功率调制器和探测器的扩展腔新结构与关键工艺；研究相应的模块封装技术与性能评测方法。6.低噪声宽调谐毫米波光电混合振荡机理与器件（1）极低相位噪声毫米波光电混合振荡器(OEO)原理研究研究OEO系统的相位噪声模型，并分析各种因素与相位噪声的关系，给出OEO输出信号相位噪声逼近量子极限的条件；研究各种注入锁定结构的OEO系统，比较各种具有极高Q值的谐振腔结构，实现极低相位噪声的OEO；研究光电互注入锁定的OEO原理和实现方法；研究高功率、极窄线宽（10Hz以下）的注入锁模激光器，降低其相对强度噪声，从而降低OEO的相位噪声。（2）OEO毫米波振荡器宽调谐原理和高频率稳定性实现方法研究研究利用光学方法实现OEO在30~300GHz范围内调谐的原理和可行性；研究OEO毫米波振荡器输出频率的高稳定性原理和方法。（3）集成化光电混合振荡器的理论与结构研究研究基于硅基高Q谐振腔的集成化OEO原理和实现方法。二、预期目标(一)总体目标面向我国电子对抗、雷达系统、卫星遥感、宽带无线通信及天文探测等毫米波应用领域发展的重大需求，研究光子噪声与非线性动力学规律及其对毫米波光子器件宽调谐、低噪声、高线性的作用，研究光波与毫米波的谱映射机制对毫米波信号高精度光子处理的作用，研究光频谱级联机制、非需物理效应演化与调控对毫米波光子功能集成的作用；攻克宽带复杂毫米波波形的产生、长距离稳相传输、高Q动态可重构预处理、高精度真延时、大动态光电转换中的关键技术，解决我国毫米波系统向宽带、大动态范围和大区域分配发展过程中的基础科学问题、核心技术与关键器件，使现有毫米波子系统的带宽-动态范围积有3个数量级的提升，为满足我国未来10～15年甚至更长时期国防军事、卫星遥感、宽带通信及深空探测等领域对毫米波系统的应用需求奠定坚实基础。（二）五年预期目标（1）在下列重要前沿领域取得有国际影响力的创新研究成果：[1]逼近量子噪声极限的光生毫米波原理与方法；[2]噪声环境下，微弱毫米波信号变频机理与方法；[3]毫米波信号高Q可重构光处理理论与方法；[4]长距离、低相位噪声的毫米波光纤传输理论与方法。（2）在上述研究成果指导下取得国际同期先进水平的器件与技术成果：[1]频率覆盖范围不低于300GHz、波形保真度较现有的提高1个数量级的毫米波复杂波形产生器；[2]实现相位抖动小于信号周期1%的毫米波稳相传输：频率30-100GHz，光纤传输距离大于50km；频率100-300G，光纤传输距离大于20km；[3]Q值优于4000、可重构的毫米波滤波器；[4]频率覆盖范围30GHz-300GHz、延时精度优于±1ps的宽频谱全光毫米波真延时器；[5]信号带宽10GHz，动态范围从100dB/Hz-2/3提升到130dB/Hz-2/3的光载毫米波变频器；[6]30GHz-300GHz大范围可调的毫米波源，相位噪声优于-165dBc/Hz@10kHz；[7]半波电压小于3V、带宽不低于40GHz的光调制器；带宽不低于100GHz、饱和光电流不低于10mA的高饱和功率光探测器；（3）在上述成果的支持下，选择对雷达或空天探测具有重要应用意义的频段，构建毫米波接收前端子系统试验平台，主要指标如下：W频段、信号带宽大于10GHz、无失真动态范围大于120dB/Hz-2/3，其带宽-动态范围积较现有系统有3个数量级的提升。该平台可为下一代军事雷达、卫星遥感及深空探测毫米波系统的研发提供支撑。（4）知识产权：在国内外核心刊物及重要国际会议发表论文300篇以上，其中SCI收录论文150篇以上。申请或授权国家发明专利20项以上。（5）人才培养：培养学术骨干10人、博士研究生培养40人、硕士研究生60人；争取培养2~3名国家杰出青年基金等国家人才计划获得者。三、研究方案(一)总体研究思路本项目以宽带毫米波器件与系统中的微波光子学基础研究为中心，牢牢抓住三个关键科学问题，对复杂波形的产生、长距离稳相传输、可重构信号处理、高精度延时、大动态范围转换及低噪声振荡器关键器件与子系统进行研究，最终建立带宽-动态范围积较现有提升3个数量级的毫米波光子产生、传输、处理与控制的实验平台。(二)技术路线1.复杂波形产生基于较低频微波信号的电光调制，研究宽带多谱线光谱的生成方法。通过理论分析，探明调制前的时域波形与调制后输出光谱的时频映射关系，以及输出光谱相位、谱线频率影响的物理机理，探索有效降低输出光谱相位噪声和减小谱线频移，增大输出光谱带宽的可行方案。采用非线性光学过程进行光谱扩展，以解决高谱宽的多谱线光信号的产生问题。将利用基于纳米非线性材料波导中的光学非线性作用机理与过程，优化微纳波导结构的模式特性进行色散等效应的调控，从物理机理上解决实现高效、低噪声的宽频谱光源方面的相关关键物理问题和非线性展宽机理问题。应用光学理论，充分考虑宽谱光信号的时域色散、空间散焦、频域分离等高阶效应的影响，对实现宽谱全光波形变换的理论进行分析，揭示其中的不理想性因素对波形失真效应的影响规律。通过引入衍射光学元件等进行光束波前变换，将传统的高斯光束变换为光强包络调制优化的光束形式，同时研究宽谱光信号经过该类变换器件后的色散、色差等问题，为获得具有更大时域窗口的低失真复杂毫米波信号探索有效的解决途径。2.毫米波长距离稳相传输结合理论仿真，研究环境温度、压力、弯曲以及光纤非线性效应等因素对光纤延迟的影响，分析光纤延迟与上述因素之间的物理关联性，分析光纤延迟在信号往返时间内的变化情况，评估返相位校正的理论精度（或固有误差），完成稳相传输系统总体方案设计。对于高精度的光波相位误差检测，采用偏振分集相干混频方式，克服偏振敏感问题；采用外差混频、差分检测方法，抑制光载波相位和幅度噪声，提高相位检测精度；采用数字相位检测方法，扩展相位检测的范围，实现多个2范围的相位检测。对于快速、高精度、大线性范围毫米波相位的控制，重点研究光波相位与毫米波相位的互相转换机理和光波相位的控制机制。采用改变两光载波之间相位差实现毫米波的相位控制，并在解决