微波光子技术及其典型应用_林旭远.pdf
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1、2023 年1 月Jan2023DigitalTechnology&Application第 41 卷第 1 期Vol.41No.1数字技术与应用98中图分类号:TN201文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2023)01-0098-03DOI:10.19695/12-1369.2023.01.30微波光子技术及其典型应用上海交通大学电子信息与电气工程学院林旭远微波光子技术实现了微波技术和光子技术的优势互补,充分利用微波光子技术带来的体积小、重量轻、超宽带、抗干扰等技术优势,近年来已经取得了相当数量的技术成果。本文介绍了微波光子技术中可重构微波光子射频前端技术、微波信号产生技术、微波
2、信号的高稳定性光传输技术、射频对消和同时收发技术等几种典型应用。随着光学器件、光信号传输处理等理论及技术的突破和发展,微波光子技术能够适应雷达、通信、电子战系统阵列化、网络化、综合化、智能化方向发展的趋势,能够构建性能更加优越的系统。微波光子学是微波技术和光子技术相互融合的新兴交叉学科,主要研究光载微波信号的产生、传输、控制处理、接收以及相应的系统集成。把光子技术应用于微波系统中,利用光学系统特有的低损耗、大带宽、响应速度快、存储密度高等巨大优势,实现微波信号的无衰减传输、多路信道并行、抗电磁干扰等多种传输和处理;同时把各种微波技术应用于光学系统中,促进光通信网络和系统的发展。微波光子技术实现
3、了两个领域的优势互补,能够用光子技术手段解决微波的技术瓶颈,不断促进雷达、通信、电子战等电子信息系统的性能提升、创新发展和体制演进。下面介绍微波光子技术的几种典型应用。1 可重构微波光子射频前端技术射频前端连接天线与收发机,处于电子信息系统的最前端,决定了整个系统收发性能的好坏。为满足雷达、通信、电子战系统的性能提升需求,射频前端需要向着频段更高、处理带宽更宽、调制样式更多、多种类型并行、收发多波束、信号处理更加复杂等方向发展。具有可调谐可重构优点的宽带微波光子射频前端为宽带收发技术发展提供了技术途径。微波光子射频前端针对发送和接收的信号,工作原理同传统的电射频前端一样1,完成信号的放大、衰减
4、、上下变频、滤波、延时等。不同之处在于,微波光子射频前端通过射频信号到光信号的转换,在光域实现信号的放大、滤波和变频等处理功能,优势是利用微波光子技术的超高频、大带宽特性,实现多频段、多样式、多类型信号的并行处理;同时还可通过光子技术产生可调谐的高频本振信号。美国 Vencore 实验室针对接收射频前端的研究,在2GHz 18GHz 频段范围内,利用外调制产生光梳多频本振,实现了将射频信号下变频至 2GHz 中频频段。意大利国家光电实验室的研究人员同样在频率调谐范围为2GHz 18GHz 内,利用锁模激光器产生光频梳本振,实现了宽带可调谐信号的上变频及下变频。清华大学实验室研究构造的接收射频前
5、端,利用基于色散介质和光频梳的微波光子滤波器,实现了频率覆盖范围大于 20GHz 的信号下变频接收,并且能够进行中频滤波。该实验室还提出了一种可调谐宽带光子射频前端方案,基于光电振荡器(OEO)进行设计,可调谐频率范围覆盖了 X 波段到Ka 波段。可见,可重构微波光子射频前端利用微波光子宽带混频技术的优势,实现信号接收和发送的宽带可调谐上、下变频,能够适应系统快速可重构、多频段并行的发展需要。2 微波信号产生技术性能优良的微波信号可用作雷达、通信、电子战系统射频前端的本振信号、数字处理的时钟信号、分布式收发系统中的同步信号。微波光子技术及超短脉冲光纤激光器为高性能微波信号的产生提供了更多的途径
6、2。2.1 光电振荡器技术高性能振荡器需要高储能腔,传统的介质(微波储能)和石英(声波储能)腔的频率范围最高适用于MHz GHz;对于更高的载频,光储能(例如光纤的长距离、低损耗传输)的优势就表现出来。光电振荡器收稿日期:2022-11-10作者简介:林旭远(2002),男,河北石家庄人,本科,研究方向:光电信号协同处理。2023 年第 1 期99林旭远:微波光子技术及其典型应用可以产生一个低相噪的振荡,关键是利用了光纤的长延迟特性。这里面存在的问题是由于光纤传输延迟的不稳定造成低频噪声恶化,导致相位噪声很大。光延时技术有助于光电振荡器实现高品质因数储能环路,使用该技术的光电振荡器能直接产生超
7、低相位噪声的高频信号,在频率 10GHz、频偏 10kHz 处,产生的相位噪声低于-150dBc/Hz,应用于高性能接收机能显著提升设备接收性能。实际应用中,在高低温差大、振动颠簸等恶劣环境中使用数公里的光纤环路,还存在不小的问题,如何不采用长光纤也能提升谐振腔 Q 值,是研究人员进一步探索尝试的新途径。2.2 基于飞秒激光器的微波频率合成基于飞秒激光器、尤其是超短脉冲光纤激光器的高纯度微波生成方案,近年来也开始引起研究单位的重点关注。飞秒激光器的输出,在时域上表现为重复频率在百 MHz 量级、脉冲持续时间从几十飞秒到几百飞秒的高稳定、高相干性窄脉冲序列。利用飞秒激光器产生微波振荡的出发点很直
8、接:光电探测器将飞秒激光器输出的周期性窄时宽光脉冲转化为周期性电脉冲,其频谱(傅里叶变换)将包含间隔为周期倒数的众多简谐振荡;一般情况下飞秒脉冲的带宽远远超过光电探测器的带宽,所以输出微波振荡的带宽仅受限于探测器的带宽。在相位噪声性能上,飞秒激光器所生成的微波振荡也毫不逊色于已被广泛认可的 OEO,在理论上甚至优于后者。如图 1 所示表示了传统电子或光子倍频技术、微波振荡直接产生技术(包括 OEO、DRO 等)、以及基于飞秒激光器的分频产生技术在相位噪声性能方面的对比。从倍频产生到直接产生、再到分频产生,微波振荡将具有越来越低的理论相位噪声极限。2.3 光任意波形产生技术脉冲激光器就是一个频率
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