光子射頻干擾對消技術(shù)研究進(jìn)展①

韓秀友，蘇鑫鑫，付雙林，譚慶貴，朱 舸，趙明山

(1. 大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，大連 116024；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

現(xiàn)代信息社會對于無線通信傳輸速率的需求越來越高，有限的頻譜資源成為無線通信技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，增加網(wǎng)絡(luò)容量、提高頻譜利用效率成為無線通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)和時(shí)分雙工(Time Division Duplex,TDD)相比，同時(shí)同頻全雙工技術(shù)(In-Band Full-duplex，IBFD)在同一頻帶上同時(shí)進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，如圖1所示，可以使頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率倍增，在新一代移動通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[1-4]。然而，在全雙工通信過程中，由于發(fā)射天線和接收天線的排列較近，發(fā)射天線發(fā)送的高功率信號會進(jìn)入到接收天線，從而對接收天線接收的低功率有用信號產(chǎn)生干擾，甚至完全淹沒低功率有用信號，這稱為射頻自干擾(RF Self-Interference)或共址干擾[5]。這種干擾與有用信號處于相同的頻率，因此無法采用陷波濾波器將其濾除或采用窄帶帶通濾波器將有用信號選出。因此，射頻自干擾是同時(shí)同頻全雙工技術(shù)應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題。

(a)頻分雙工 (b)時(shí)分雙工 (c)同時(shí)同頻全雙工

射頻自干擾消除可以采用空間消除、模擬域消除和數(shù)字域消除等方式[5]?？臻g消除是在干擾信號進(jìn)入接收機(jī)之前，采用物理隔離、優(yōu)化天線排列等方法進(jìn)行干擾抑制[6]。模擬域消除是在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，由發(fā)射端引出參考信號，其與接收通道的干擾信號合路時(shí)發(fā)生相干相消來抑制干擾[7]。數(shù)字域消除是以發(fā)射的數(shù)字信號為參考，從殘余自干擾信號中估計(jì)自干擾信道的幅度因子和相位因子，重建數(shù)字自干擾消除信號，再與接收信號相減，將自干擾從總接收信號中減去[8]。通常將空間消除、模擬域消除和數(shù)字域消除這三種方法聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)對射頻自干擾的有效抑制，從而滿足全雙工通信干擾抑制的應(yīng)用要求。模擬域消除是射頻自干擾消除的重要環(huán)節(jié)，一方面需要將射頻自干擾抑制到足夠低的功率，以保障模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作在可允許的動態(tài)范圍之內(nèi)；另一方面模擬消除需要能夠在足夠大的帶寬內(nèi)對射頻自干擾實(shí)現(xiàn)有效的抑制，以滿足大帶寬全雙工通信應(yīng)用的需求。然而，電學(xué)模擬域干擾消除方法受限于射頻器件的工作帶寬和幅相調(diào)節(jié)精度等限制，難以在大帶寬內(nèi)獲得足夠高的干擾抑制度。

光子射頻干擾對消技術(shù)是光子技術(shù)在射頻信號處理領(lǐng)域的重要應(yīng)用，其充分發(fā)揮了光域微波信號處理的大帶寬、高精度延時(shí)與幅度調(diào)控等優(yōu)勢，且該技術(shù)可以與微波光子變頻、微波光纖傳輸?shù)认嘟Y(jié)合，在基于同時(shí)同頻全雙工技術(shù)的移動通信、衛(wèi)星通信、寬帶無線接入網(wǎng)等領(lǐng)域極具性能優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，受到國內(nèi)外科研人員和工業(yè)部門的極大關(guān)注，成為近年來微波光子技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

本文將介紹光子射頻干擾對消的基本工作原理，對干擾抑制效果的影響因素，包括光域延時(shí)調(diào)控精度和幅度調(diào)控精度等，進(jìn)行了仿真分析。從干擾對消相位反相條件的實(shí)現(xiàn)方法、多路徑干擾消除方法、光子集成干擾對消芯片等三個(gè)方面總結(jié)了光子射頻干擾對消技術(shù)的研究進(jìn)展，給出該技術(shù)的發(fā)展趨勢和實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步考慮的問題。

1 光子射頻干擾對消原理

1.1 光子射頻干擾對消模型

基于光子射頻干擾消除的同時(shí)同頻全雙工通信系統(tǒng)如圖2所示，發(fā)射天線與接收天線處于同一平臺，發(fā)射天線發(fā)出的高功率信號會串?dāng)_進(jìn)入接收天線，對低功率的有用信號造成干擾。光子射頻自干擾消除(Optical Self-Interference Cancellation,OSIC)系統(tǒng)中，天線接收的有用信號s(t)和干擾信號i(t)經(jīng)電光調(diào)制單元轉(zhuǎn)換至光域，稱之為干擾支路。從發(fā)射端機(jī)(Tx)分出一路參考信號r(t)，經(jīng)電光調(diào)制單元轉(zhuǎn)換至光域，稱之為參考支路。參考支路中光載射頻信號經(jīng)過可調(diào)光延時(shí)單元(Tunable Optical Delay Line,TODL)和光功率調(diào)節(jié)單元(Variable Optical Attenuator,VOA)與干擾支路的光載射頻信號一同進(jìn)入光電探測器(Photo detector,PD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換?？烧{(diào)光延時(shí)單元和光功率調(diào)節(jié)單元分別對光載射頻參考信號的延時(shí)與幅度進(jìn)行調(diào)控，光電轉(zhuǎn)換輸出的參考信號與干擾信號在滿足幅度相同、延時(shí)匹配和相位反相的條件下發(fā)生相干相消，干擾信號被消除，有用信號被恢復(fù)出來。

圖2 基于光子射頻自干擾消除的同時(shí)同頻全雙工通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

射頻干擾信號和參考信號轉(zhuǎn)換至光域的電光調(diào)制方式有多種，包括馬赫-曾德爾調(diào)制器、電光調(diào)制、電吸收調(diào)制、電光相位調(diào)制等。這里以馬赫-曾德爾調(diào)制器電光調(diào)制為例，建立光子射頻干擾對消系統(tǒng)模型，給出干擾抑制度的定義以及數(shù)學(xué)表達(dá)式，對延時(shí)偏差、幅度偏差對干擾抑制度的影響進(jìn)行仿真分析。

干擾支路和參考支路中的兩個(gè)馬赫-曾德爾電光調(diào)制器在推挽模式下工作，輸出的光場分別表示為：

(1)

(2)

其中，E1，E2分別為光載波λ1，λ2的幅度，選擇不同頻率的光載波可以在兩路合路時(shí)避免干涉。ω1=2πf1，ω2=2πf2，f1和f2分別為光載波λ1和λ2的頻率；ωRF=2πfRF，fRF為兩路輸入RF信號的頻率；m1和m2為兩調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)，m1=πVi/VπRF1，m2=πVr/VπRF2,Vi和Vr為射頻干擾信號和參考信號的電壓，VπRF1和VπRF2分別為兩個(gè)調(diào)制器的射頻半波電壓；θ1和θ2為直流偏置電壓產(chǎn)生的附加相位，θ1=VDC1/Vπ1，θ2=VDC2/Vπ2，VDC1和VDC2為調(diào)制器的直流偏置電壓，Vπ1和Vπ2分別為兩個(gè)調(diào)制器的直流半波電壓。為簡化分析，公式(1)中暫時(shí)沒有考慮低功率的有用信號。

利用Jacobi-Anger公式展開，考慮0階和±1階項(xiàng)，則式(1)和(2)分別表示為：

(3)

(4)

其中，J0和J1分別為0階和1階第一類貝塞爾函數(shù)。

為了獲得射頻干擾信號與參考信號之間的相位反相關(guān)系，可以通過設(shè)置直流偏置電壓，使得兩個(gè)調(diào)制器分別工作的正負(fù)斜率的偏置正交點(diǎn)，即θ1=-π/4，θ2=π/4。參考支路中的光載射頻信號經(jīng)歷延時(shí)與幅度調(diào)節(jié)，則(3)和(4)式表示為：

(5)

(6)

其中，α為光功率衰減系數(shù)，τ為光延時(shí)調(diào)諧量。干擾支路的光載射頻信號和參考支路的光載射頻信號經(jīng)光耦合器后進(jìn)入光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出得到的射頻干擾信號和參考信號分別為：

iout(t)=A1cos(ωRFt)

(7)

rout(t′+τ)=-A2cos[ωRF(t′+τ)]

(8)

其中，A1和A2分別是光電探測后輸出射頻干擾信號和參考信號的幅度。

(9)

(10)

其中ρ為PD的響應(yīng)度。通過公式(7)～(10)可以看出，通過調(diào)節(jié)參考支路的光載射頻信號的幅度和延時(shí)，當(dāng)滿足如下關(guān)系時(shí)，射頻干擾信號被參考信號抵消，從而恢復(fù)出有用信號。

A1=A2

(11)

t=t′+τ

(12)

為了表征光子射頻自干擾消除系統(tǒng)的性能，定義消除深度(Cancellation Depth，CD)為進(jìn)入干擾信號經(jīng)過干擾抑制系統(tǒng)后殘留功率的平均值與進(jìn)入系統(tǒng)之前干擾信號功率平均值之比，其表達(dá)式為：

(13)

(14)

1.2 光子射頻干擾消除性能分析

從(14)式可以看出，參考信號與干擾信號之間的延時(shí)偏差和幅度偏差是影響干擾消除深度的主要因素，并且不同頻率、不同帶寬下的影響結(jié)果會有所不同，下面對這些因素的影響進(jìn)行仿真分析。

1.2.1 延時(shí)偏差對干擾消除性能的影響

假設(shè)幅度匹配，即Δα=0dB，分析延時(shí)偏差對干擾消除性能的影響。圖3給出了1GHz帶寬下，中心頻率分別為1GHz，5GHz，9GHz，13GHz和17GHz時(shí)消除深度隨延時(shí)偏差的響應(yīng)。從圖3可以看出，在0-1ps的延時(shí)偏差范圍內(nèi)，一定的中心頻率下，消除深度隨延時(shí)偏差的增大而劣化。對于相同的延時(shí)偏差，當(dāng)中心頻率增加時(shí)，消除深度會變差。在實(shí)際系統(tǒng)中，延時(shí)偏差由可調(diào)光延時(shí)線的調(diào)節(jié)精度決定。高調(diào)節(jié)精度的延時(shí)線可以降低參考支路與干擾支路的延時(shí)偏差，從而實(shí)現(xiàn)更好的干擾消除深度。

圖3 不同頻率，1ps延時(shí)偏差下的消除深度仿真

1.2.2 幅度偏差對自干擾消除性能的影響

圖4所示給出當(dāng)延時(shí)偏差分別為0.1ps和0.01ps時(shí)，在1GHz帶寬、不同的中心頻率下得到消除深度隨幅度偏差的響應(yīng)關(guān)系，其中藍(lán)色實(shí)線表示延時(shí)偏差為0.1ps對應(yīng)的對消深度，紅色虛線表示延時(shí)偏差為0.01ps對應(yīng)的對消深度。顯然，0.01ps的延時(shí)偏差下的消除深度優(yōu)于0.1ps處的值，二者的差別在較小的幅度偏差下更為明顯。在同一中心頻率下，隨著幅度偏差從0.01dB增至1dB，消除深度逐漸劣化。因此，實(shí)現(xiàn)高精度的幅度調(diào)諧是自干擾對消系統(tǒng)中的必要條件。系統(tǒng)鏈路中各個(gè)器件不同的幅度響應(yīng)會導(dǎo)致干擾支路與參考支路的幅度響應(yīng)不平坦，尤其是在大帶寬下，兩支路幅度響應(yīng)不匹配成為限制消除深度的重要因素。

圖4 不同頻率下幅度不匹配對消除深度的影響

1.2.3 相位偏差對自干擾消除性能的影響

除了延時(shí)偏差以及幅度偏差影響系統(tǒng)的自干擾消除性能之外，系統(tǒng)中所使用的光電器件和射頻器件所帶來的附加相位會在一定程度上影響兩支路之間的反相匹配關(guān)系。如式(15)，單頻率下信號的延時(shí)和相位是成正比的，調(diào)節(jié)延時(shí)相當(dāng)于調(diào)節(jié)相位值。但對于寬帶信號，調(diào)節(jié)延時(shí)對整個(gè)帶寬信號的延時(shí)改變量是相同的，因此對帶寬內(nèi)不同頻率下的相位改變量是不同的。系統(tǒng)中的附加相位會使得寬帶內(nèi)不同頻率下的附加相位值不同，這也會影響參考支路與干擾支路的反相效果，單獨(dú)的延時(shí)調(diào)節(jié)難以補(bǔ)償，需要一定的措施進(jìn)行相位補(bǔ)償。因此，相位偏差也是影響消除深度的一個(gè)重要因素。在自干擾消除系統(tǒng)中可以通過設(shè)計(jì)優(yōu)化各個(gè)單元器件的性能來降低其附加相位值，或者再增加相位調(diào)節(jié)單元來進(jìn)行相位補(bǔ)償。根據(jù)延時(shí)偏差與相位偏差的關(guān)系，在(14)式中增加相位偏差量，即可得到相位偏差量與自干擾消除深度的關(guān)系。

Δφ=2πfΔτ

(15)

圖5仿真分析了(1 ps，1 dB)，(0.1 ps，0.1 dB)，(0.01 ps，0.01 dB)和(0.001ps，0.001 dB)四組不同的延遲和幅度偏差下，附加相位值對消除深度的影響?？梢钥闯觯凇?°的相位偏差范圍內(nèi)，隨著延遲和幅度失配的減小，消除深度會越來越好。當(dāng)延遲失配和幅度失配分別小于0.1 ps和0.1 dB時(shí)，消除深度優(yōu)于-30 dB，此時(shí)相位偏差起主要作用。相位偏差值越低，即越接近于0°時(shí)，消除深度越好。

圖5 不同頻率下相位偏差對消除深度的影響

2 光子射頻自干擾消除的相位反相方法

當(dāng)參考信號與干擾信號之間滿足幅度相同、延時(shí)匹配和相位反相的條件，二者可以相互抵消，則自干擾會被有效抑制。人們研究了基于MEMS可調(diào)光衰減器、半導(dǎo)體光放大器增益等幅度調(diào)控方法，以及基于可調(diào)光延時(shí)線的延時(shí)調(diào)控方法。這里對實(shí)現(xiàn)參考信號與干擾信號之間相位反相的方案進(jìn)行歸納總結(jié)，可以分為電學(xué)反相方法和光學(xué)反相方法兩類。

2.1 電學(xué)方法實(shí)現(xiàn)相位反相

電學(xué)反相方法是指在射頻域?qū)⒛骋宦沸盘柺┘应械南辔唬蛊渑c原信號的相位相反。巴倫(Balun)是一種將輸入信號轉(zhuǎn)換為差分輸出的器件，在頻域中，這表示兩個(gè)輸出信號之間具有π的相位差。巴倫結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，有一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，兩個(gè)輸出端的輸出信號幅度相等、相位相反。文獻(xiàn)[10]和[11]所提出的光學(xué)自干擾消除方案中均采用了巴倫來實(shí)現(xiàn)參考信號與干擾信號之間的相位反相。

除了巴倫外，平衡光電探測器(Balanced Photodetector,BPD)是另一種在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)射頻信號反相的方法。BPD的結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，采用雙光電二極管接收光信號并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，由于兩個(gè)光電二極管是并聯(lián)反向偏置，所以輸出的兩路電信號具有π的相位差。在文獻(xiàn)[12]采用兩個(gè)電吸收調(diào)制器(EAM)與BPD構(gòu)成了光子射頻自干擾消除系統(tǒng)，文獻(xiàn)[13]采用兩個(gè)直調(diào)激光器和BPD構(gòu)成光子射頻自干擾消除系統(tǒng)。

圖6 實(shí)現(xiàn)相位反相的光電器件結(jié)構(gòu)

2.2 光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)相位反相

光學(xué)反相方法即通過電光調(diào)制、光域選頻或光域相位調(diào)控等方式使兩路信號相位相反。利用兩個(gè)馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)偏置在相反的正交點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)信號的反相[14,15]。如圖7所示，MZM的透射率曲線類似于余弦平方函數(shù)，將其中一個(gè)MZM偏置在透射率曲線正斜率正交點(diǎn)，另一個(gè)MZM偏置在曲線負(fù)斜率正交點(diǎn)，二者分別對參考信號和干擾信號進(jìn)行正正交調(diào)制和負(fù)正交調(diào)制以實(shí)現(xiàn)反相。與之原理類似的還有雙平行的偏振調(diào)制器(DP-PolM)加偏振合束器(PBC)的方案[16]，它可以通過控制參考支路的偏振分量同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)節(jié)。由馬赫-曾德爾調(diào)制器組成的雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器(DD-MZM)[17,18]、雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(DP-MZM)[19-21]的射頻自干擾對消方案也相繼提出。上述各種方案中，主要是通過調(diào)制器的偏置工作點(diǎn)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)反相，在實(shí)際應(yīng)用中需要對調(diào)制器的偏置點(diǎn)進(jìn)行精確控制，以保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

圖7 基于反向正交點(diǎn)偏置的雙MZM對消系統(tǒng)

筆者課題組提出了基于相位調(diào)制和光學(xué)單邊帶濾波的光學(xué)射頻自干擾消除方案[23,24]該方案利用電光相位調(diào)制輸出上下奇數(shù)階邊帶相位相反的特性[22]來獲得參考信號與干擾信號的相位反相關(guān)系。圖8給出了相位調(diào)制和光學(xué)單邊帶濾波的射頻干擾對消工作原理，參考信號和干擾信號分別由相位調(diào)制器(PM)調(diào)制到上下光路上，對參考信號進(jìn)行光域延時(shí)與幅度調(diào)節(jié)，然后光載射頻干擾信號和光載射頻參考信號合路進(jìn)入光學(xué)濾波器，光學(xué)濾波器分別濾除兩路的左、右邊帶，得到單邊帶信號，然后進(jìn)入光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和干擾對消。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于不需要偏置點(diǎn)控制，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并提高工作的穩(wěn)定性，并且可以基于波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路干擾消除[25](在后面的3.3節(jié)中有詳細(xì)介紹)。當(dāng)然，由于光學(xué)濾波器的邊沿陡峭度影響，該方案更適用于高頻段全雙工干擾消除的應(yīng)用。

圖8 基于相位調(diào)制和光學(xué)單邊帶濾波的光學(xué)射頻自干擾消除方案

文獻(xiàn)[26]研究了利用半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)的交叉增益調(diào)制特性(cross-gain modulation, XGM)來實(shí)現(xiàn)反相的方法。如圖9所示，SOA通過偏置電流和輸入光載波λ1的功率來控制射頻信號的幅度和延時(shí)，同時(shí)，SOA反向輸入第二個(gè)光載波λ2，使得λ1所帶的光信號通過XGM調(diào)制到λ2上，從而實(shí)現(xiàn)RF信號的反相。這一方案中SOA的響應(yīng)時(shí)間在納秒量級，可以實(shí)現(xiàn)幅度與延時(shí)的快速調(diào)節(jié)，但SOA所帶來的噪聲與非線性效應(yīng)會在一定程度上影響寬帶范圍內(nèi)的干擾消除效果。

圖9 基于SOA交叉增益調(diào)制的光子射頻自干擾消除方案[26]

對上述各種不同反相方法的光子射頻自干擾消除系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果歸納于表1，包括系統(tǒng)的中心頻率、工作帶寬以及消除深度。從表1中可以看出，多數(shù)系統(tǒng)的工作帶寬都在百兆赫茲，并能實(shí)現(xiàn)30dB左右的消除結(jié)果，這體現(xiàn)出光子射頻干擾對消技術(shù)的大帶寬，高消除深度的優(yōu)勢。

表1 不同相位反相方法的光子射頻自干擾消除結(jié)果

注：*標(biāo)記處表示方案中的頻率是進(jìn)行了下變頻處理。

3 多路徑射頻自干擾消除

以上介紹的光子射頻自干擾消除方案，研究工作主要是針對單路徑的射頻自干擾進(jìn)行抑制，以驗(yàn)證方案的可行性。在實(shí)際的全雙工通信過程中，發(fā)射天線發(fā)出的高功率信號除了直接耦合進(jìn)入接收天線之外，還有可能會經(jīng)過不同路徑的多次反射進(jìn)入接收天線，即存在多路徑干擾。因此，要實(shí)現(xiàn)全雙工通信技術(shù)的應(yīng)用，必須要解決多路徑射頻自干擾問題。以下介紹幾種代表性的光子射頻多路徑干擾消除的方案。

3.1 基于SM-MM耦合器合路的多路干擾消除

文獻(xiàn)[27]研究了基于光學(xué)分路生成多路參考信號、采用單模至多模(Single-Mode to Multi-Mode,SM-MM)耦合器進(jìn)行合路的光子射頻多路干擾消除方案，如圖10所示，此方案中兩個(gè)MZM電光調(diào)制器分別偏置在正負(fù)相反的正交偏置點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)信號反相關(guān)系。由發(fā)射端引出的參考信號經(jīng)MZM調(diào)制到光載波上，然后經(jīng)光耦合器分成多路，各路光載射頻參考信號經(jīng)歷不同的延時(shí)和幅度調(diào)節(jié)，再與光載射頻干擾信號由SM-MM耦合器合在一起進(jìn)入多模光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和射頻干擾對消。SM-MM耦合器將每路單模光纖傳輸?shù)墓廨d射頻信號映射到多模光纖的正交空間模式中[28]，使多路參考信號可以共用同一光源的光載波，且避免了同頻光波合路時(shí)的相干拍頻噪聲的影響。然而，該方案抑制干擾路徑的數(shù)量受到SM-MM耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)正交空間模式耦合數(shù)量的限制。

圖10 基于SM-MM耦合器合路的多路干擾消除系統(tǒng)框圖[27]

3.2 基于色散效應(yīng)的多徑干擾消除

文獻(xiàn)[29]研究了基于色散效應(yīng)的光學(xué)多徑射頻干擾消除方案。如圖11所示，使用偏振調(diào)制器(PolM)和偏振控制器(PC)構(gòu)成等效馬赫-曾德調(diào)制器[30]，通過調(diào)整PolM的直流偏置，可將兩個(gè)等效強(qiáng)度調(diào)制器偏置在正負(fù)斜率的正交偏置點(diǎn)來獲得反相。由發(fā)射端引出的參考信號調(diào)制到可調(diào)諧激光器(TL)輸出不同波長的光載波上，構(gòu)成多路參考信號。利用色散元件(Dispersion Element, DE)的色散特性，通過改變每條路徑的激光器波長來調(diào)節(jié)延時(shí)，改變激光器的光功率來調(diào)節(jié)幅度，而無需使用VOA和TODL，在一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于色散元件的使用，會存在由于色散導(dǎo)致的射頻信號功率衰減問題，在高頻段全雙工應(yīng)用時(shí)需要加以考慮。

圖11 基于色散機(jī)制的多徑干擾消除系統(tǒng)框圖[29]

3.3 波分復(fù)用多路徑消除

在“相位調(diào)制+光學(xué)邊帶濾波”自干擾消除方案有效性獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上[22，23]，筆者課題組研究了波分復(fù)用的多路徑干擾消除方案[25]。該方案采用光譜整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路參考信號的邊帶濾波與幅度調(diào)節(jié)，如圖12所示，參考信號經(jīng)相位調(diào)制到多個(gè)不同波長的光載波上構(gòu)成多路參考信號，進(jìn)入光處理器，利用衍射光柵和硅上固態(tài)液晶(LCoS)光學(xué)處理機(jī)制[31]同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)節(jié)和邊帶濾波，使得系統(tǒng)更加集成化。該方案實(shí)驗(yàn)上獲得了中心頻率10GHz，100MHz帶寬條件下28dB的消除深度，并進(jìn)行了全雙工通信有用信號的恢復(fù)能力測試研究。該波分復(fù)用方案需要多個(gè)激光光源和多個(gè)相位調(diào)制器構(gòu)成多路參考支出，在一定程度上會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖12 基于相位調(diào)制與波分復(fù)用的光學(xué)多路干擾消除系統(tǒng)框圖[25]

3.4 基于光纖光柵延時(shí)結(jié)構(gòu)的多路干擾消除

文獻(xiàn)[32]研究了利用光纖布拉格光柵(FBG)進(jìn)行延時(shí)調(diào)節(jié)的多路徑自干擾消除方案。如圖13所示，采用90°混合耦合器將輸入的射頻信號分成I分量(上半部分)和Q分量(下半部分)，將每個(gè)分量通過MZM的差分輸出來實(shí)現(xiàn)180°的相位反相。在一根光纖上制備多個(gè)不同反射中心波長的級聯(lián)FBG，各個(gè)FBG通過一定長度的光纖連接，改變可調(diào)諧激光器輸出光波的波長，使得光載射頻信號經(jīng)過不同長度的光纖傳播，被對應(yīng)波長的FBG反射，獲得多個(gè)抽頭，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延時(shí)量的調(diào)節(jié)。采用多個(gè)可調(diào)諧激光器，則可以構(gòu)成多路參考支路，通過可調(diào)諧光衰減器進(jìn)行每一路的幅度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多路徑的干擾消除。實(shí)驗(yàn)上建立了20個(gè)FBG抽頭的干擾消除系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中心頻率在0.5GHz-5.5GHz的范圍內(nèi)，帶寬分別為500 MHz和1 GHz時(shí)平均25dB和20dB的消除深度。該方案采用FBG作為時(shí)間抽頭，采用成熟的紫外寫入工藝在一根光纖上制備多個(gè)FBG，具有大延時(shí)調(diào)節(jié)范圍和低光學(xué)損耗的優(yōu)勢。目前該方案的延時(shí)調(diào)節(jié)是離散的，相關(guān)研究工作正在進(jìn)行之中[33]。

圖13 基于FBG延時(shí)線的光學(xué)多徑干擾消除系統(tǒng)框圖[33]

4 光子集成干擾對消芯片

微波光子集成是微波光子技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是微波光子技術(shù)在滿足小型化、輕量化、低功耗載荷平臺應(yīng)用需求的有效解決方案之一。光子射頻自干擾消除技術(shù)在5G &Beyond 和6G等新一代無線通信中得以應(yīng)用，也需要進(jìn)行片上光子集成研究。

4.1 基于磷化銦(InP)的光子集成對消芯片

磷化銦(InP)是一種有源光子集成材料，具有集成度高、尺寸小的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[34][35]報(bào)道了基于磷化銦(InP)平臺的光子集成對消芯片。如圖14所示，InP芯片上集成了光源、半導(dǎo)體光放大器、光電探測器等器件，對外只有射頻端輸入端和射頻輸出端。光源為分布式反饋(DFB)激光器，通過直接調(diào)制方式把天線接收的RX信號(包括有用信號和干擾信號)與發(fā)射端引出的參考信號調(diào)制到光載波上。光載射頻RX信號經(jīng)過SOA放大后輸入至平衡光電探測器的上支路端口。光載射頻參考信號通過兩個(gè)級聯(lián)SOA輸入至到平衡光電探測器的下支路端口，光電探測得到射頻信號相減輸出。通過改變級聯(lián)SOA的驅(qū)動電壓，可以調(diào)節(jié)光載射頻參考信號的振幅和延時(shí)，達(dá)到參考支路與干擾支路的對消匹配條件。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該光子集成對消芯片實(shí)現(xiàn)了中心頻率1.963GHz和帶寬20MHz條件下，約40dB的消除深度。

圖14 基于磷化銦的光子集成對消芯片的方案框圖和光學(xué)顯微鏡照片[34]

4.2 基于SOI的光子集成對消芯片

SOI(Silicon-On-Insulator)光子集成波導(dǎo)具有與CMOS工藝相兼容的大規(guī)模集成優(yōu)勢。本課題組近期開展了基于SOI硅光工藝平臺的光子集成干擾對消芯片研究。如圖15(a)所示，采用硅光工藝把電光調(diào)制器、可調(diào)光延時(shí)線、可調(diào)光衰減器、光學(xué)濾波器和光電探測器等功能器件集成到同一芯片上[36]。延時(shí)調(diào)節(jié)功能由級聯(lián)波導(dǎo)微環(huán)構(gòu)成的光延時(shí)線實(shí)現(xiàn)，幅度調(diào)節(jié)功能由馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的可調(diào)光衰減器來實(shí)現(xiàn)，光學(xué)邊帶濾波功能由微環(huán)輔助馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的濾波器來實(shí)現(xiàn)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)上述各個(gè)功能單元，制備出了SOI光子集成對消芯片[37]，如圖15(b)所示，相關(guān)性能測試表征正在進(jìn)行之中。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)芯片照片

5 總結(jié)與展望

本文介紹了光子射頻自干擾對消的基本原理，建立了光子射頻自干擾消除模型，仿真分析了延時(shí)偏差和幅度偏差對干擾消除效果的影響。綜述了電學(xué)方法和光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)干擾對消相位反相條件的不同方案。針對實(shí)際全雙工通信應(yīng)用中的多路干擾問題，總結(jié)了SM-MM耦合器合路、色散效應(yīng)、波分復(fù)用、光纖光柵延時(shí)結(jié)構(gòu)等光學(xué)多路射頻干擾消除方案，分析了其優(yōu)勢和不足。最后介紹了基于InP波導(dǎo)和SOI波導(dǎo)的光子集成干擾對消芯片研究的最新進(jìn)展。

通過近年來光子射頻干擾對消技術(shù)發(fā)展可以看出，該技術(shù)得到國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注，展現(xiàn)出寬頻段、大帶寬、高干擾抑制度的優(yōu)勢，在新一代全雙工無線通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，該技術(shù)的應(yīng)用還有較多的問題需要進(jìn)行深入研究與探索，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)光子射頻干擾消除的自適應(yīng)反饋控制算法研究。在實(shí)際的全雙工通信應(yīng)用中，射頻干擾信號的幅度、延時(shí)和相位等參數(shù)會隨著環(huán)境因素的變化而發(fā)生改變，從而需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的匹配調(diào)節(jié)。目前文獻(xiàn)報(bào)道的研究工作中，大多是在實(shí)驗(yàn)室平臺上通過手動調(diào)節(jié)來達(dá)到干擾消除的最佳狀態(tài)。因此必須采用自適應(yīng)反饋控制算法對光子射頻自干擾消除系統(tǒng)中的幅度、延時(shí)和相位調(diào)節(jié)單元進(jìn)行反饋控制[38-40]，以滿足系統(tǒng)的環(huán)境適用要求。

(2)實(shí)際全雙工通信功能的驗(yàn)證。光子射頻干擾對消技術(shù)最終的應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信功能，目前報(bào)道的大部分工作重點(diǎn)集中在光子射頻干擾技術(shù)對干擾信號的抑制效果方面的研究，有少部分工作進(jìn)行了全雙工通信功能的驗(yàn)證[17,25]，或?qū)嶋H外場的天線發(fā)射和接收試驗(yàn)[11]。因此還需要投入更多的精力研究其在實(shí)際全雙工通信系統(tǒng)中的可行性，以推進(jìn)光子射頻干擾對消技術(shù)的實(shí)用化。

(3)與新一代寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù)的融合。隨著5G技術(shù)應(yīng)用的快速推廣以及6G先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，光子射頻干擾對消技術(shù)可以和天線拉遠(yuǎn)系統(tǒng)[21]、變頻處理系統(tǒng)[41,420]等新一代寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù)相融合，提升接入網(wǎng)的頻譜利用率和傳輸性能。