集成光子学(一)
(2015-01-03 09:13:03)分类: 研途科研 |
微波光子学(MWP)是一个新兴的领域,它是运用光子学技术的特长实现射频信号的产生,分布,处理和分析。它使得许多仅在微博领域不好完成的功能得以实现。最近引起广泛关注的就是在MVP中引入集成光子电路(PIC),这样既能加强功能,同时还能减小尺寸,重量,成本,功率损耗等问题。本文意在回顾所谓的集成微波光子(IMVP)的最近进展,同时概括集成微波光子学的几大关键技术,也对此领域的未来做了些许展望。
1 介绍:
微波光子学(MWP),它将射频和光电子结合在一起,在过去30年里得到了学术界和商界的极大关注,并且必定有着光明的未来。这一领域所带来的价值一是使得那些在射频领域很难实现或不易直接实现的关键功能得以简单实现,另一方面,它给网络通信也带来了全新的机遇。
尽管在最开始这一领域的研究限于防御领域的应用,但如今也开始了民用领域的诸多应用,比如蜂窝移动电话,无线,卫星通信,有线电视,分布式天线系统,光信号处理和医学成像。这些新领域的应用对高速率,高带宽,以及大动态范围的需求日益增加,同时也希望器件更小,更轻,低功耗,高可调性以及对电磁干扰的免疫性。尽管数字电子学在这些领域广泛应用,但DSP的处理速度大部分低于几GHz。为了保持这些设备的灵活性,需要一个在前终端都能灵活处理且性能超过DSP的方案。因此,需要一个高带宽和高灵活性的模拟信号处理工具。微波光子学就能实现这种功能,通过挖掘股指能够自学的特殊能力,将其在尺寸,重量,功耗等方面的优势引入射频信号处理之中。
作为一个新兴的技术,驱使MWP发展的一个重要原因在于无处不在的宽带无线接入网络。随着用户对GHz的无线带宽的需求的提高,市场对MWP设备的需求也逐渐增大。比如,IEEE的WiMAX/最近也在向1Gbit/s的数据处理速率升级,他预测大量小型的,基于WiMAX的基站或者微微蜂窝将会出现。实际上,随着诸如iPad等平板电脑的普及,对无线基础设施需求就会增大。而且,光纤入户和室内网络的配置也会刺激对MWP的需求。为了赶上这样的发展速度,未来的网络将会支持无线通信速率达到几Gbit/s的数据传输速率。此外,由微微蜂窝和微蜂窝组成的接入网的超低功耗将会使得它比现今的宏蜂窝网络更加的环保,而宏蜂窝需要高功耗得基站支持。
在过去的25年里,MWP系统和链路基本上是依赖于独立的光电子器件和标准光纤,以及基于光纤的一些设备,这些设备已经用于诸如RF信号的产生,分布,处理和分析。这种结构体积大,价格昂贵,高功耗并且缺少灵活性。我们相信被称为第二代的IMWP,它的目的就是将MWP的设备和子系统整合到光子电路上,是实现低成本和更好的前终端模拟信号处理的关键。这篇文章意味回顾这一领域最近几年的显出进展。
2,微波光子学的基本原理
任何MWP系统的关键在于MWP连接。正如图1(a)所示,连接图中包括用于E/O转换的调制器设备,然后用光纤再连接一个进行O/E转换的探测器。大多数现今用的MWP连接都是基于IMDD(强度调制-直接探测),当然基于相位或者频率调制且和直接探测或者或探测相结合的方案也很受欢迎。从调制设备的角度看,用于MWP连接的调制方案可以被分为两类:直接调制和外调制。直接调制中,调制设备是一个直接调制的激光器,既是光源又是调制器,而外调制中调制设备包括连续波激光器和外加的光电调制器。几乎所有的MWP连接都运用PIN探测器完成O/E转换。已被用于MWP连接的一些设备的概述在第二章的参考文献(5)中可以找到。
MWP系统通过在这两种转换之间加入各种功能实现的,即在光域完成处理(图1(b))。在光域处理的优势在于高带宽,在整个微博频率范围内的恒定衰减,小尺寸,轻易,对电磁干扰的免疫以及潜在的高可调性和低功耗。这种MWP系统包括微波信号的产生,分布,处理和控制。
这之中的关键技术包括微波信号传输的高保真度,实时时延和微波信号的相移,频率可调和多选择的微波滤波器,频率向上和向下的转换以及微波载波和波形的产生。
为了在MWP系统中实现完整的功能,MWP连接需要做全面的性能分析。这之中最大的难题在于进行E/O,O/E转换过程中在RF信号处理中引入了损耗,噪声和失真。而且,RF损耗和光损耗在MWP连接上是二次关系。这意味着需要最小化光损耗。因为这些原因,我们看到在80,90年代时对MWP的关注点主要集中在设计和优化MWP连接。
在下一部分,将会描述MWP连接的一些品质因子。MWP连接的详细进展在(6、7)中有所报道。
2,1品质因子
MWP连接的重要品质因子包括连接增益,噪声因子,输入/输出截止点以及SFDR(无杂散动态范围)。这些因子表明了损耗,噪声即非线性在连接中的影响。
连接增益:表征的是在MWP连接或系统中RF到RF信号的转换。限于调制设备和探测器的转换系数,MWP连接在分贝标度上表示出负连接增益是很正常的,这就是网络损耗。对于直接调制更是如此,因为连接增益只取决于三个参数,即激光斜率效率,探测器响应度以及系统中的光损耗。在外调制中,影响连接增益的因素更多,包括激光器,EOM和探测器。从公式韩总可以看出,连接增益和激光器的输入光功率成二次方关系。这意味着可以通过泵浦更大的光功率来增大连接增益。这一技术已经被广泛用于MWP连接中网络增益的提升,通过运用一个超低半波电压的MZM使得增益值高达44dB。将公式1 和公式2进行对比就可以发现,运用直接调制的MVP连接的增益更难以增加,因为大部分时间里激光器和探测器的斜率效率和响应度都保持不变。
E/O和O/E转换也在系统中引入了噪声。主要的噪声源包括热噪声,散粒噪声,以及相对强度噪声。在含有光放大器的系统里,放大器的自发放大散射(ASE)噪声起主导影响。连接中的全部噪声功率由用于对上述三大噪声源金星负载均衡的电功率组成,
噪声因子通常用于MWP连接和系统可用性的考察。最近几年,很多研究转向实现<10dB噪声因子的MWP连接。一些研究团队通过运用低偏置,低半波电压和超高功率的光源以及专用的高功率处理的探测器实现了这一特性(9,10)。将MZM偏置到最小透射点有益与噪声因子的改善,因为噪声功率随着偏置点的减小,相对于减小连接增益而言,降低得更快。这可以通过公式2和7看出。低于10dB的噪声因子还可以通过运用高功率的光源,双输出MZM以及一个均衡探测器实现(9,11)。通过恰当选择连接均衡探测器的光纤长度,RIN可以被抑制。MWP连接增益G>0dB并且NF>20dB的最新进展在文献(12)中可以看到。
E/O和O/E转换在MVP连接中还会对RF输出限号产生非线性干扰。最常用于探测这些非线性的方法是双单音测试。在这一测试中,输入是一对密集的声调,比如它们的频率是f1和f2,由于连接的非线性效应,这些声调会产生新的频率成分,称为互调制。二级互调制由于二次非线性而产生。三级互调制由于三次非线性产生。描述MVP连接中两个声调测试的输出光谱如图2所示。从光谱中可知,最靠近源信号的是衰减的IMD3,而它很难被滤掉。因此,这里没有任何不受杂散信号影响的可用信号带宽。正因如此,IMD3被看做是限制MWP连接性能的主要扰动因素。对于偶数阶的扰动,IMD2的衰减远离源信号。但随着信号带宽的增加,源信号和扰动信号之间的区分变得更加的困难。对于含有多倍频程信号带宽的宽带系统而言,即信号的最大频率比最大两倍多时,IMD2将会对信号产生扰动。这和窄带系统正好相反,窄带系统中,在倍频带宽以下IMD2很容易就被滤掉。
对于图2,有必要探究随着输入信号功率的变化,各部分输出功率谱的变化情况。如图3所示,图中画出了源信号,IMD2和IMD3的功率图,单位为分贝。源信号随着输入信号线性变化,在图中它的斜率为1。IMD2的功率和输入的RF信号功率是二次方关系,所以相对于源信号而言,它的斜率为2,同理IMD3功率曲线的斜率为3。在某些点外推的源信号和n阶IMD之间可能存在着干扰。这种干扰被称为截断点。取决于所选取的参考功率点,对于每一级干扰都可以定义一个输入干扰点和输出干扰点。这两个干扰点因为连接增益而相互影响,且新的频率分量为需要注意的是,由于源信号会被压缩,所以这些干扰点不能直接测量(13)。正因如此,干扰点是通过对测量的源信号和IMD功率的外推而推导出来的。
对利用MZM的MWP连接,是很有必要去检查干扰点的具体情况的。因为MZM有着定义良好的正弦传输函数,所以非线性也就更好把握。由于这种连接被广泛研究,所以它的干扰点被看做是判定MWP连接和系统性能的基准。随后我们将在第5部分看到情况确实如此。
IIP2对偏置角度十分敏感并且在正交时变成无穷,因为偶阶扰动在这个偏置点处消失了。而IIP3和偏置角无关且几乎只取决于RF的半波电压。将IIP3的表达式进行简化是对不同连接方式的性能进行比较的有效方法。另一方面,OIP3和偏置点相关。然而,OIP3在正交偏置点很小.
在MWP连接中,将噪声和非线性整合在一起考虑的品质因子是是SFDR(无杂散动态范围)。在源信号功率等于噪声功率并且n阶干扰点功率和噪声功率相等时,SFDR被定义为输入功率的比值。对于输出功率而言,这可以被看做是将IMDn功率控制在噪声门限下的最大输出SNR。另一个定义将在图3中描述。对于连接设计者而言,是很希望在诸如连接增益,噪声因子和干扰点可测的情况下完整表述SFDRn。这种表达也可以从图3中推出来。
在宽带范围内完成对MWP系统的SFDR的最优化是微波光子学领域的至高成就。正如之前所述,通过运用MZM可以减少噪声因子。依据公式10和12,这种连接的SFDR3可以增大。然而,低偏置使得IIP2变得非常小,使得这种连接只适用于窄带信号。而且,MZM连接的SFDR总是受制于MZM的三阶非线性。因为这些原因过去人们转向利用线性技术来克服MZM的非线性。然而,干扰抑制只在相对较窄的带宽内起作用并且对调制器参数十分的敏感。Class-B MWP连接时在理论上可达到很大的动态范围的连接方案(15)。然而这一方案的实现被证明是困难重重。在第5部分会对这种方案进行详细的阐述。现今成功的技术已将MWP连接的SFDR提升到。在(16)中对最新的达到高带宽的SFDR技术做了介绍。
2.2应用
在过去的20年里,MWP概念已经得到了广泛的应用。MWP技术的最早应用就是微波信号的分布(2)。在这里MWP连接被用来替代同轴电缆,利用它在感兴趣的频谱范围内所具有的在尺寸,重量,灵活性以及平淡衰减方面的优势。这种概念也被用于远程天线,MWP连接被用来将进行高敏感性高复杂的信号处理过程的无线电接收器和天线分开。用这种方法,信号处理部分就可以在天线处于严峻的环境下得到保护,比如在雷达系统和射电天文学方面。另一方面,这一概念对于分布式和多天线系统而言同样具有吸引力,由于大量的天线需要承载更多的混合服务,比如移动通信,在这种情况下,MWP的概念被用来将信号处理过程中心化。并且使之远离天线。其优势在于可以简化天线的设计。这就是光纤无线电的概念(3,19),它是驱使MWP发展的主要商业因素。
尽管信号分配是MWP的主要驱动力,诸如微波信号的产生和处理的应用也紧随其后。高纯度微波信号和高复杂度的超宽带波的产生是MWP领域的最新进展。运用MW技术来产生信号的主要原因在于它具有高频率可调性以及运用相对于传统微波/电子技术而言较简单的技术就可达到非常高频率的潜力。而且,如此高频率的分布运用的光纤的损耗非常低,这也是一大吸引点,而如果用同轴电缆将会产生较大的损耗。所以MWP技术为微波信号的产生提供了高带宽和对RF波形在相位和幅度的完全可重构性(20,21)。
对于微波信号的处理,MWP技术使得滤波,可调,实时延迟和宽带相移得以实现。MWP的概念也提供了诸如对宽带信号的处理和潜在的快速重构这些功能的附加价值。将这些基本功能结合在一起,将会实现用于光波速成形和相位阵列天线系统的MWP处理器。
3,集成微波光子学
有几大因素使得MVP概念没有广泛应用现实生活和实验搭建中。第一个因素是性能,尤其是动态范围。当然MVP系统确实在超宽带方面表现出了出众的性能,但是动态范围的表现还不足以使它可以代替传统的微波方案。其他因素包括可靠性和成本。大部分MVP系统是由分散的部件组成的,即激光器,调制器和探测器都是利用光纤尾纤连接起来的。这就导致了一些问题。分散的组件使得尺寸变大同时光纤尾纤的连接降低了系统的稳定性。这就使得系统的可靠性降低了。其次,由于每个组件都要承担包装成本,所以分散的组件造成了高系统成本。分散组件的运用还可能导致高功耗。这些因素使得MVP方案无法取代那些已经成熟反战很多年的传统方案。
如果上述缺陷能得到较好的解决,那么MVP系统的超宽带处理和优秀的可重构性仍然是吸引人的并且值得探索。如果能解决MVP系统的成本,功耗和可靠性,那么它就可以替代传统的微波方案而不仅仅是替代同轴电缆了。很多人相信这可以通过将RF和集成光子学结合在一起而得到解决(22-25),运用光子集成,就可以达到封装,内部耦合损耗记忆包装成本的降低,同时也将降低功耗,因为一个散热器可用于多个功能模块。因此,使得MVP功能离使用更近一步,最后实现商用。
尽管起初认为IMVP的概念和最近大规模PIC技术是一致的(27-32),但在需求和市场应用方面还是有些许不同。大规模光子集成因为数字应用而得到高速发展,诸如高容量的光通信和光互联。这一概念和不断增长的速率,组件数目以及将众多功能组合在一个芯片上的技术紧密集合(33-36)。由于现今没有哪个单一的技术可以解决上述所有的问题,大规模集成就成为实现全光子系统性能的折中方案。
由于在模拟信号处理过程中的严格要求,用于MWP的PIC技术必须表现出高性能,大部分时间比人们在数字应用中所期望的要高。而且,现今,MWP要应对的是低需求量的市场,那么PIC的生产也是低量的。这些方面使得我们相信PIC技术将会在IMVP中扮演不一样的角色。
下一部分中将重点介绍一序列近期在MWP系统中出现的PIC技术。将要讨论的这一技术的两大标准分别是MWP体系的性能和可用性。正如先前所讨论的,MWP处理过程中很重要的目标就是在优化系统连接的同事保证较低的噪声因子。这一目标意味着MWP系统中PIC的插入损耗必须最小化。这将会对PIC中的传输损耗和光纤到片上集成的损耗有很严格的要求。
对于PIC技术的可用性而言,集成的微波光子学将会从ePIXfab和Jeppix等技术中获益良多。它使得用户可以利用这些原本对个人用户而言太过昂贵的工艺制造技术。从集成光子学不断涌现的报道中就可见一斑。下一部分中将会对IMWP的一些可用平台进行介绍。
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