- 微波光子学研究的进展

2.6 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，如图2所示。由外腔激光器输出的直流光在强度调制器中被输入的微波信号调制。调制器的直流偏置点稳定在半波电压附近，输出的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。实验结果表明，在微波频率恒定为4 GHz的情况下，随着输入微波信号的增大，微波增益始终稳定在17 dB左右，显示出很好的稳定性，而输出微波信号的信噪比则会随之提高。

2.7 克服微波副载波对光纤传输链路的影响
微波在光纤中的传输特性是微波光子学的重要研究内容，早在应用混合同轴电缆-光纤系统传输模拟的有线电视(CATV)信号的时候，链路传输特性就是关注的重点，相应的理论模型已被用来分析ROF链路的传输特性。在比CATV更高速的ROF链路中，光纤色散成为限制传输距离的主要因素，PMD和各种非线性效应也更加明显。对于色度色散，一般认为可通过在光域进行单边带调制技术加以解决。其中最直接的方法是用光纤光栅滤波获取光单边带信号，但滤波器本身也会为系统引入色散。研究表明，外调制器的非线性严重限制着整个微波链路的动态范围，一个较大的发射功率引起的交叉相位调制等非线性效应会进一步加重对系统性能的恶化[14]。另一方面，不同数字调制格式的信号，对毫米波光纤传输链路的指标要求大不相同，因此微波光纤传输系统中传输各种调制格式如正交移相键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)和用正交频分复用(OFDM)技术时基带数字信号和中频信号时的链路特性，是近期研究的热点内容。

3 系统应用
微波光子学最早的系统应用是1970年代末在位于美国洛杉矶北面莫哈韦沙漠中的“深空网络”。深空网络是一个分布在数十公里范围内的由十多个大型碟形天线组成的集群，其中最大天线的直径达70 m。这些天线之间建立了一个光纤传输系统以传递1.420405752 GHz超稳定微波参考信号。所有天线单元由这一频率同步，利用相控阵的概念使它们工作得像一个巨大的天线一样，从而能够与外太空的空间飞船保持通信和跟踪。其后在1990年代，借助微波光子学技术的混合同轴电缆-光纤CATV系统也取得商业上的成功。

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。

英国电信D.Wake小组于1997年建立起早期的60 GHz ROF系统，能同时承载模拟的卫星电视信号和数字信号，其中60 GHz毫米波信号是基于主从结构激光器锁频的光学拍频产生的。随后韩国世宗大学于2006年构建了中频传输远端混频的60 GHz ROF系统，方案采用在光纤中传输中频信号，而在远端机站实现混频以避免光纤链路色散的影响。最近美国乔治亚理工学院G.K.Chang教授通过与波分复用无源光网络(WDM-PON)技术结合，构建了2.5 Gb/s 40 GHz的WDM-ROF系统[15]。在这个结构中最大的特点是不再有中频(IF)信号，因而能够传输的基带信号不再受中频的影响，在基站设计方面，实现了基站的无光源化，简化了基站的设计。在ROF系统研究领域，日本的研究机构具有强大实力，主要他们在高性能LiNbO3调制器和UTC-PD等新型光电子器件研发上具有优势。2007年日本NTT公司报道了在125 GHz ROF系统中实现10 Gb/s数字基带信号无误码传输。可见ROF系统设计将向全双工、波分复用、功能集成、低成本和高速率方向发展。中国的研究者近两年已取得很大进步，完成60 GHz毫米波有线无线混合光传输的系统实验[16]；32 GHz ROF高清电视业务传输平台的建立；光OFDM信号ROF系统的研究[17]等。