支撐ＲｏＦ技術的新型光電子器件及技術

瞿榮輝

摘要：在高頻的微波光子學研究的領域中，光載無線(RoF)技術已經(jīng)成為下一代寬帶無線通信技術的發(fā)展熱點。近年來，支撐RoF技術的新型光電子器件的關鍵技術有毫米波副載波光學產(chǎn)生技術和接收技術，其中包括外調制器方法、射頻上轉換法、光學外差法、毫米波調制光脈沖發(fā)生器等等。這些技術的突破將促進RoF技術市場化的步伐。

關鍵詞：無線光載系統(tǒng)技術；光電子器件；光學產(chǎn)生技術

微波光子學作為一個微波技術和光子技術相融合的學科和技術，其發(fā)展史可以追溯到激光和光纖發(fā)明之初，隨著超高速光纖通信技術的成熟、寬帶無線個人移動通信的普及以及微波技術在軍事、工業(yè)和尖端科研中應用的增長，微波光子學正展現(xiàn)出一個生機勃勃的發(fā)展機遇和前景。目前，光纖通信技術不斷發(fā)展與進步，已經(jīng)實現(xiàn)了單一波長信道的40 Gb／s的高速寬帶信息傳送，解決了克服光纖中色散、非線性等效應的光學器件和技術問題。用光時分復用技術獲得更高頻率信號的研究取得了突破，太赫茲技術也在光學科技的推動下取得了快速的進展。而在高頻的微波光子學研究的領域中，利用光學方法產(chǎn)生毫米波調制的副載波信號，將光纖傳輸、高速光電子器件與毫米波信號在空間的輻射傳送相互融合，已經(jīng)成為下一代寬帶無線通信技術的發(fā)展熱點，即光載無線(RoF)技術，其基本概念如圖1所示。

通常來說，RoF通信系統(tǒng)基本結構包括雙向的收發(fā)模塊、遠端的收發(fā)模塊和光纖。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)技術相比，RoF通信系統(tǒng)有著更廣的蜂窩覆蓋、更寬的帶寬、較低的成本、較低的功耗和易安裝等優(yōu)點，因此在未來通信、軍事上等諸多的領域有著非常重要的應用價值。在激光技術與光通信技術推動下發(fā)展起來的RoF用-的新型光電子器件，與微波器件相比具有體積小、重量輕、速度快、精度高、效率高、功耗低、價格低等多種優(yōu)點，將激光、光電子、光纖技術的成果與微波技術的融合，必將帶來優(yōu)勢互補，解決一些難以克服的“瓶頸”問題，獲得一些意想不到的效果。為此，必須掌握滿足毫米波副載波光纖通信需要的關鍵器件和技術。

1基于光電子器件的毫米波副載波的光學產(chǎn)生技術

毫米波副載波由于具有較高的頻率，很難直接通過激光器的直接調制的方法獲得。因此，隨著光電子器件技術的快速發(fā)展，一些光生毫米波技術在近年來已經(jīng)被大量的提出，總體歸納起來大致上可分成4種類型：一是使用外部光學調制器法，即利用高速外部光學調制器實現(xiàn)在毫米波頻段的調制，如LiN03調制器；二是采用頻率上轉換器實現(xiàn)低頻微波副載波光纖傳輸和在基站實現(xiàn)頻率上轉換的技術，如聲光移頻器；三是光外差的方法，即利用特殊波長和相位關系的激光器在探測器端的拍頻；四是基于一些特殊新型光子器件的光學產(chǎn)生技術，如超結構的光纖光柵、法布里-珀羅(FP)諧振腔和其他一些新型光電子組合器件的應用等。

1.1外部光學調制器法

外部的光學調制器法是一種最簡單和傳統(tǒng)的毫米波副載波的光學產(chǎn)生方法，其主要的功能器件是一個高速的光學調制器。其原理是從激光器輸出的光波經(jīng)過一個馬赫一曾德調制器(MzI)，將攜帶傳輸信息的毫米波射頻信號直接加載到MZI上，這樣輸出光波形成一個雙邊帶調制的光學信號，如圖2所示。在光學接收器上，每個邊帶與中心頻率發(fā)生拍頻，產(chǎn)生所需要的毫米波頻段的射頻信號。但是，這種雙邊帶調制的光波在光纖中傳輸時，色散效應對不同的頻率成分產(chǎn)生不同的相位，使產(chǎn)生的兩個拍頻的射頻信號具有不同的相位，以致于射頻信號功率隨著傳輸距離和載波頻率呈現(xiàn)周期性的變化。為此需要采用單邊帶調制、光纖光柵色散補償和光學相位共軛等方法加以補償。

1.2低頻微波傳輸和基站頻率上轉換法

這種方法主要是依靠一個移頻器，即頻率上轉換器。為了克服色散效應引起的信號損傷，一種可行的方法是在光纖中傳輸頻率較低的副載波，然后在基站利用頻率上轉換器實現(xiàn)頻率的上轉換，達到毫米波波段的高頻載波。在發(fā)射端用電光調制將較低頻率的射頻副載波調制到光波上，通過光纖傳送到接收端，經(jīng)光電轉換還原為低頻射頻信號，然后上變頻到毫米波波段，通過天線發(fā)給用戶。由于在光纖中傳輸?shù)母陛d波頻率較低，可以克服色散效應帶來的影響。同時，在發(fā)射端不需要復雜和特殊的光源，但是在基站中需要增加一個頻率上轉換器和相關的毫米波電路設備，增加了基站的復雜性和成本。

1.3光外差方法

光外差的方法是最常用的光生毫米波技術，其性能主要是依賴頻率差等于所需要的毫米波頻率的兩個相位鎖定的窄線寬激光器，其中之一攜帶了需要傳輸信息的基帶數(shù)據(jù)，在基站通過外差產(chǎn)生毫米波載波信號。在傳輸光纖中兩光波的光譜都很窄，色散效應很小。因此光外差方法既可以克服光纖中的色散問題，又可以簡化基站的結構和成本，成為近年來RoF發(fā)射機研究工作的熱點。由于信號直接調制在一個窄線寬的光波上，這就避免了數(shù)十吉赫茲高頻調制所帶來的困難，又解決了光纖色散對高頻調制光信號影響的問題，其基本原理簡圖如圖3所示。

因為在光外差法中采用了兩個半導體激光器，它們存在隨機的相位噪聲，由此產(chǎn)生的拍頻毫米波信號也存在相位噪聲。這對系統(tǒng)性能造成很大影響，因此必須消除。為此近年來有了一些新的研究，主要有光注入鎖定法(OIL)、光學鎖相環(huán)法(OPLL)t121和光注入鎖相環(huán)法(OIPLL)。

1.4基于特殊功能器件的毫米波

副載波脈沖信號的光學產(chǎn)生技術

除了上面介紹的幾種連續(xù)的毫米波副載波調制信號的光學產(chǎn)生技術外，近年來，基于一些特殊設計功能器件或組合器件的毫米波副載波脈沖信號的光學產(chǎn)生技術也吸引了人們很大的關注，研究人員也取得了一些不錯的研究結果。其基本物理思想是：利用光纖和光纖器件的色散和非線性效應，實現(xiàn)在一個光脈沖內(nèi)部的自拍頻，從而實現(xiàn)將一個單一的光學脈沖轉換為毫米頻率調制的光學脈沖，然后經(jīng)過高速的光電轉換后，形成一個高頻的毫米波脈沖信號，通過天線發(fā)射出去。

文獻[14]最早介紹了這種光生毫米技術，如圖4所示。線性偏振入射光波的偏振方向與雙折射光纖的慢軸x方向成夾角；檢偏器以與光纖快軸成西角放置。光脈沖在光纖中傳輸時，存在兩偏振分量，同時，由于光線的色散效應和非線性的自相位調制效應，光譜發(fā)生頻移，經(jīng)檢偏器后兩分量發(fā)生差拍，即在一個脈沖包絡內(nèi)部發(fā)生高頻調制。這種高頻調制?？梢允菃我簧漕l頻率的調制，也可以是具有啁啾性的調制，取決于光纖和光脈沖參數(shù)的選擇和控制。

為了降低對于光纖和光脈沖參數(shù)的控制要求，有人采用一個馬赫一曾德干涉儀來代替雙折射光纖。在這一實驗中，由光纖激光器輸出的

1550 nm波段3 ps脈寬、250 MHz重復頻率的光波經(jīng)環(huán)行器后輸入到一個啁啾率為0.13 nndcm的10 cm長的啁啾光纖光柵上，光纖光柵反射后脈沖展寬為1 000 ps。馬赫一曾德干涉儀的一臂接人了一個可變時延器和一個偏振控制器，這樣，在干涉儀的第二個耦合器上，啁瞅光脈沖的前沿就可能與后沿發(fā)生差拍，產(chǎn)生一個射頻調制的光脈沖?；谏鲜鏊枷耄恍┢渌奶厥鉄o源新型的功能器件的光生毫米技術的產(chǎn)生方法也被提出。如利用一個具有雙峰值波長的變跡莫爾光纖光柵濾波器來實現(xiàn)毫米波副載波信號的產(chǎn)生。圖5顯示了相應結構的示意簡圖。輸入窄脈沖激光經(jīng)光纖環(huán)行器入射到光纖光柵并被其反射回到環(huán)行器，從另一端口輸出，采用的光纖光柵具有雙峰值波長的光譜結構。入射光譜被光纖光柵譜所調制，轉換為一個具有雙峰值波長光譜的光脈沖。當這一光束被光電二極管接收時，雙波長之間發(fā)生拍頻，在時域上轉換為一個與入射光脈沖時間和幅度相對應的毫米波調制的脈沖串，構成一個幅移鍵控(ASK)調制的毫米波副載波。其中，具有雙峰值波長的光纖光柵可以通過光柵的逆工程方法進行設計。在這種技術方案中，其基本結構是一個特殊設計的莫爾光柵，這種光柵目前在設計上和工藝上都已經(jīng)比較成熟。圖6為設計的修正的莫爾光纖光柵的折射率分布和反射譜。

此外，也可以利用簡單低反射率腔的FP濾波器，實現(xiàn)脈沖的重復延時，形成高重復頻率超短脈沖序列，即毫米波脈沖包絡，來實現(xiàn)光生毫米波技術。其基本思路如圖7所示。進行初步的理論分析[16]得到相關的器件特性參數(shù)與所產(chǎn)生的微波脈沖特性之間的關系，可通過調節(jié)FP腔的光程和反射率來控制輸出光學脈沖的重復頻率、消光比和包絡波形。初步的研究結果表明這一方案技術成熟，簡單易行。為了改善毫米波脈沖包絡的質量和性能，可以通過FP半導體光放大器(sOA)組合功能器件的使用來實現(xiàn)，其基本思路如圖8所示。即利用SOA的驅動電流脈沖的波形，產(chǎn)生具有所需時域波形的增益，來放大和控制光脈沖幅度，實現(xiàn)脈沖包絡的整形。這種方法可以將高頻重復脈沖序列的產(chǎn)生及其包絡波形的整形結合在一個器件上完成。

除此之外。其他一些組合的新型功能的光電器件技術也可以應用來進行毫米波副載波的光學產(chǎn)生，如參考文獻[17]提出的利用脈沖重復率倍增和時域泰伯效應的組合光電子器件實現(xiàn)毫米波脈沖的產(chǎn)生(如圖9所示)，以及文獻[18]提出的級聯(lián)的Gires-Toumois干涉儀或環(huán)型諧振腔來實現(xiàn)毫米波的光學產(chǎn)生(如圖10所示)等等，這些新型的功能器件的使用在一定程度上都對毫米波的性能起到了一定的改善作用，它們都為RoF技術的發(fā)展起到了積極的推進作用和相關的技術儲備。

2RoF接收端技術

RoF接收技術也是一項十分關鍵的技術。在RoF接收系統(tǒng)中，光載波的發(fā)射和接收全部在中心站完成，而在基站中只保留高速光電探測器、調制器和天線。這樣，從中心站發(fā)射的載波經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_基站后，通過光電探測器光電轉化后經(jīng)過天線發(fā)射出去。而基站天線接收到的射頻信號通過調制器被調制到光載波上并通過光纖傳送回中心站，由于基站中只有光電探測器、調制器和天線，整個體積可以得到很大縮減，成本也大大降低，為RoF密集型“蜂窩”的發(fā)展起到了較大的促進作用。

2.1 UTC-PD光探測器

由RoF系統(tǒng)的配置可見，光纖鏈路接收端的高速的光探測器是另一個關鍵器件。它必須具有與常規(guī)光通信系統(tǒng)要求不同的性能：一是高速率；二是高功率輸出，即高的飽和工作點；三是能夠在器件上直接轉換為毫米波功率，并從微波天線發(fā)射出去；最后，當然也要求價格低廉，一個能夠滿足這幾個要求的器件，單行波波導探測器(uTC-PD)，已經(jīng)問世。其基本原理是，將電子利用為激活載流子，而將空穴限制在一定的區(qū)域，利用電子的高遷移率大大提高器件的響應速率。UTC-PD還采用波導結構，增加光吸收的作用長度，設計最佳傳輸線阻抗，獲得高響應速率和高飽和功率。它的能帶結構如圖Il(a)所示，圖Il(h)則是_一個將發(fā)射天線與UTC-PD集成為一體的器件。據(jù)文獻[20]報道，UTC-PD器件探測速度可達310 GHz、50 n負載上輸出電壓達1.5 V(相當于輸出功率7.5 dBm)，并已在RoF研發(fā)中被證明了其可行性。

2.2光子微波接收機

圖12是基于微腔的光子微波接收機。由于采用了高Q值的光學微腔，利用光在微腔中的諧振，可以大大提高整個系統(tǒng)的調制效率。同時采用的金屬電極也是一種微波諧振結構，這樣在射頻信號耦合到電極的同時會因為微波的諧振而被放大，從而克服了Moodie等人提出的結構由于射頻能量損耗很大，只能用于短距離的無線通信的缺陷。利用這一種光子微波接收結構，Levi等人實現(xiàn)了100 M／s的數(shù)據(jù)傳輸，與此同時，Ilchenko等人也利用這一結構實現(xiàn)了亞微瓦級的光子微波接收機。

2.3電光調制器

在文獻[22]中，也有人設計了一種天線耦合的電光調制器，這種設計最初是為了實現(xiàn)接收的射頻信號和光載波相位匹配。調制器上的電極同時用作接收天線。電磁波以特定角度入射的時候，相臨的天線接收的信號間的相位差正好等于光波經(jīng)過它們之間距離的相位變化，從而實現(xiàn)相位匹配。

3結束語

如今，RoF技術已是國際學術界微波毫米波領域的一個研究熱點，用于無線通信、雷達等系統(tǒng)中，是微波光子學的一個重要應用。長期以來，人們對微波光子學中涉及的光源、調制器、傳輸介質和探測器等器件技術作了大量的研究工作，正是微波光子學領域新型功能器件研究的快速發(fā)展，極大地推進RoF系統(tǒng)的應用進展。根據(jù)文獻資料的調研和相關市場發(fā)展的趨勢，現(xiàn)階段RoF在移動通信和個人通信中毫米波副載波光通信技術的真正使用，除了決定于新技術在經(jīng)濟上的競爭力。也在很大程度上有賴于相關關鍵功能器件技術的突破，這些研究與進展都將決定RoF技術向市場化推進的步伐。