2012CB315600-G新型寬帶大動(dòng)態(tài)毫米波器件及應(yīng)用中的微波光子學(xué)基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：新型寬帶大動(dòng)態(tài)毫米波器件及應(yīng)用中的微波光子學(xué)基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：鄭小平清華大學(xué)起止年限：2012年1月-2016年8月依托部門：教育部一、研究內(nèi)容圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，對(duì)六項(xiàng)內(nèi)容展開研究：1.基于全光頻域信號(hào)變換的復(fù)雜寬帶毫米波信號(hào)的產(chǎn)生(1)光頻梳新原理與新方法研究研究以較低頻率的微波調(diào)制信號(hào)通過電光調(diào)制變換產(chǎn)生寬帶光譜的新方法。研究激光器相位噪聲與微波信號(hào)的相互作用機(jī)理，揭示光源相位噪聲對(duì)輸出 譜線相位影響的內(nèi)在規(guī)律；探索進(jìn)一步增大輸出光譜可利用帶寬的新方法。(2)光學(xué)非線性光頻譜擴(kuò)展與光頻梳穩(wěn)定的機(jī)制研究將基于非線性光學(xué)理論，研究多譜線光譜擴(kuò)展與穩(wěn)定的方法。研究高功率密度的多光

2、頻分量在高非線性器件中的相互作用機(jī)理， 揭示非線性過程對(duì)頻譜相位噪聲影響的內(nèi)在規(guī)律；研究高轉(zhuǎn)換效率的非線性光譜展寬技術(shù)和相關(guān)器件的實(shí)現(xiàn)方法；研究反饋控制回路特性、光腔穩(wěn)定方法等對(duì)頻譜噪聲、抖動(dòng)等特性的影 響，探索獲得高穩(wěn)定度帶寬光譜輸出的新方法。(3)全光頻域信號(hào)變換機(jī)制對(duì)先生毫米波信號(hào)保真度的作用研究研究全光頻域信號(hào)變換中的信號(hào)失真與混疊機(jī)理；研究空域光束分布及變換方式等對(duì)波形失真影響的機(jī)理。2.光波相位控制機(jī)理與毫米波穩(wěn)相傳輸(1)毫米波光纖傳輸中相位噪聲的形成與演化過程研究研究光纖色散、非線性、偏振效應(yīng)與毫米波相位噪聲之間的物理關(guān)聯(lián)性，揭示毫米波光纖傳輸中相位噪聲的形成與演化機(jī)理，為毫米

3、波傳輸相位噪聲的控 制提供依據(jù)。(2)光纖傳輸?shù)臅r(shí)域非互易性規(guī)律及其對(duì)穩(wěn)相精度的影響研究探索基于時(shí)域非互易的光纖傳輸穩(wěn)相理論，研究非互易性控制方法。重點(diǎn)研究光纖相位擾動(dòng)互易性與光纖物理參數(shù)之間的規(guī)律；研究高精度、大范圍的光 波相位誤差檢測(cè)理論和方法，創(chuàng)建基于光波相位誤差檢測(cè)的光纖傳輸相位測(cè)量系 統(tǒng)；探索新型的相位校正理論和方法。(3)毫米波相位控制機(jī)制與毫米波光子移相器的研究光波相位與毫米波相位之間的相互作用和控制機(jī)制，研究基于光波相位控制的毫米波光子相位控制方法；研制相應(yīng)的毫米波光子移相器。(4)相位誤差檢測(cè)機(jī)制與光波、毫米波鑒相器的研究研究毫米波鑒相精度與非線性混頻效率和激光相位噪聲之間的

4、物理關(guān)聯(lián)性，研究基于光學(xué)非線性效應(yīng)的毫米波相位誤差檢測(cè)機(jī)制；研制高精度的毫米波光子鑒相器。3 .光-毫米波頻譜轉(zhuǎn)換理論與寬帶毫米波的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)信號(hào)處理(1)光載毫米波信道化濾波器的原理與方法研究PS-FBG勺結(jié)構(gòu)、提高PS-FBGffi帶和截止帶之間過渡帶斜率的工藝。面向頻率覆蓋至300GHz及以上頻段，研究增強(qiáng)PS-FBGS過譜帶寬的理論與工 藝。研究基于上述成果的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法。(2)突破高Q、可重構(gòu)矛盾的毫米波光子濾波器的新原理與新方法研究光子IIR濾波器的可調(diào)諧性與可重構(gòu)性；研究 IIR濾波器串聯(lián)時(shí)相干申擾消除的理論與方法；研究擴(kuò)展自由譜區(qū)的理論與方法。(3)基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)毫米

5、波濾波器的鏈路色散補(bǔ)償原理與方法研究光子器件色散對(duì)毫米波性能的影響規(guī)律，研究濾波器光波-毫米波的色 散關(guān)系模型；研究利用濾波器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制與方法。(4)寬帶毫米波光子器件非線性補(bǔ)償原理與方法研究利用濾波器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行非線性失真控制的機(jī)制與方法；探索新的物理思路與頻譜控制方式，研究對(duì)毫米波進(jìn)行色散與非線性共同補(bǔ)償?shù)脑砼c方法。4 .超寬帶光頻譜延時(shí)機(jī)理與毫米波全光真延時(shí)器件(1)光域頻譜隔離和延時(shí)調(diào)控機(jī)理研究研究光域隔離不同功能毫米波光子器件的原理；研究基于光譜隔離的寬帶光譜調(diào)諧原理與方法；研究支持毫米波光子器件功能集成的、基于色散的寬譜信 號(hào)真延時(shí)調(diào)控機(jī)制與實(shí)現(xiàn)方法。(2)光子器

6、件的色散對(duì)毫米波真延時(shí)的影響研究研究光譜調(diào)諧過程中毫米波光信號(hào)的轉(zhuǎn)換規(guī)律，研究寬光譜毫米波信號(hào)經(jīng)過色散光器件后延時(shí)隨毫米波頻率的變化規(guī)律； 研究消除高階色散影響的機(jī)理與 改善延時(shí)頻率平坦度的方法。(3)毫米波光子延時(shí)器延時(shí)精度改善的物理機(jī)制研究研究光子色散器件(光纖光柵、光子晶體光纖、光學(xué)諧振環(huán))的色散特性與時(shí)延抖動(dòng)產(chǎn)生、演變和抑制機(jī)理；研究降低噪聲的光譜優(yōu)化方法；研究新型的 光真時(shí)延材料與結(jié)構(gòu)，研究其品質(zhì)因數(shù)、阻帶寬度及不同調(diào)制格式等多種因素對(duì) 時(shí)延抖動(dòng)的影響，研究器件多種參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的策略與方法，實(shí)現(xiàn)高精度、可控性強(qiáng)的毫米波延時(shí)器。5 .光-毫米波信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換機(jī)理與器件(1)光電噪聲

7、的演化規(guī)律、壓縮方法及其對(duì)鏈路最小可探測(cè)功率的物理制約研究研究光毫米波鏈路各種光電噪聲產(chǎn)生與演化過程中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，探索噪聲對(duì)鏈路最小可探測(cè)功率的物理制約機(jī)理，探討在上變頻過程中通過光頻譜設(shè)計(jì)降低相對(duì)光強(qiáng)度噪聲的方法；在下變頻過程中，研究基于相干平衡檢測(cè)的噪聲壓縮 模型，提高雙輸出差模信號(hào)、降低光強(qiáng)度噪聲共模信號(hào)；研究基于數(shù)字信號(hào)處理 的新型相位噪聲補(bǔ)償機(jī)制。研究基于光電循環(huán)振蕩的模式選擇和放大機(jī)理，探索微弱毫米波信號(hào)諧振放大的新方法。(2)毫米波信號(hào)高線性度上變頻機(jī)理研究研究變頻過程中非線性失真(諧波失真、交調(diào)失真、交叉調(diào)制失真)產(chǎn)生機(jī)理，及其對(duì)鏈路無失真最大可探測(cè)功率的物理制約； 探索通過優(yōu)

8、化調(diào)制器的驅(qū) 動(dòng)條件和參數(shù)設(shè)置提高線性度及抑制非線性失真的方法；探索預(yù)失真補(bǔ)償和低偏 置、雙平行調(diào)制器等新方法、新結(jié)構(gòu)在上變頻過程中的應(yīng)用；探索滿足各種應(yīng)用 需求的光譜結(jié)構(gòu)生成方法；研制高線性度的上變頻子系統(tǒng)。(3)光毫米波信號(hào)高靈敏度下變頻機(jī)制研究研究適合光毫米波鏈路的高靈敏度相干下變頻方法；建立包含光纖鏈路的各種因素(包括相位噪聲、色散和 PMD效應(yīng)、損耗、非線性效應(yīng)等)和無線鏈 路中各種因素(陰影效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)等)的光毫米波鏈 路理論模型；研究各種損傷與相位噪聲補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)處理機(jī)理與算法；發(fā)展光毫米波體制下的相干檢測(cè)器件及下變頻子系統(tǒng)；研制高靈敏度的下變頻子系統(tǒng)。

9、(4)支撐大動(dòng)態(tài)毫米波-光波上下變頻的高性能光子器件研究探索基于低維結(jié)構(gòu)改性的半導(dǎo)體電光系數(shù)增強(qiáng)新方法；面向高光功率條件下的載流子產(chǎn)生與輸運(yùn)調(diào)控，研究探測(cè)材料能帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；研究基于材料 和器件結(jié)構(gòu)協(xié)同的光波與毫米波模場優(yōu)化、 傳播速度匹配設(shè)計(jì)，探索高飽和光功 率調(diào)制器和探測(cè)器的擴(kuò)展腔新結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝；研究相應(yīng)的模塊封裝技術(shù)與性能 評(píng)測(cè)方法。6.低噪聲寬調(diào)諧毫米波光電混合振蕩機(jī)理與器件(1)極低相位噪聲毫米波光電混合振蕩器(OEO原理研究研究OEO系統(tǒng)的相位噪聲模型，并分析各種因素與相位噪聲的關(guān)系，給出OEO輸出信號(hào)相位噪聲逼近量子極限的條件；研究各種注入鎖定結(jié)構(gòu)的 OEO系 統(tǒng)，比較各種

10、具有極高 Q值的諧振腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極低相位噪聲的 OEO研究光 電互注入鎖定的OEO原理和實(shí)現(xiàn)方法；研究高功率、極窄線寬(10Hz以下)的 注入鎖模激光器，降低其相對(duì)強(qiáng)度噪聲，從而降低 OEO的相位噪聲。(2) OEO毫米波振蕩器寬調(diào)諧原理和高頻率穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)方法研究研究利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn) OEO在30300GHz范圍內(nèi)調(diào)諧的原理和可行性；研 究OEO毫米波振蕩器輸出頻率的高穩(wěn)定性原理和方法。(3)集成化光電混合振蕩器的理論與結(jié)構(gòu)研究研究基于硅基高Q諧振腔的集成化OEO原理和實(shí)現(xiàn)方法。二、預(yù)期目標(biāo)(一)總體目標(biāo)面向我國電子對(duì)抗、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感、寬帶無線通信及天文探測(cè)等毫 米波應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的重大需

11、求，研究光子噪聲與非線性動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其對(duì)毫米波 光子器件寬調(diào)諧、低噪聲、高線性的作用，研究光波與毫米波的譜映射機(jī)制對(duì)毫 米波信號(hào)高精度光子處理的作用，研究光頻譜級(jí)聯(lián)機(jī)制、非需物理效應(yīng)演化與調(diào) 控對(duì)毫米波光子功能集成的作用；攻克寬帶復(fù)雜毫米波波形的產(chǎn)生、 長距離穩(wěn)相 傳輸、高Q動(dòng)態(tài)可重構(gòu)預(yù)處理、高精度真延時(shí)、大動(dòng)態(tài)光電轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵技術(shù)， 解決我國毫米波系統(tǒng)向?qū)拵?、大?dòng)態(tài)范圍和大區(qū)域分配發(fā)展過程中的基礎(chǔ)科學(xué)問 題、核心技術(shù)與關(guān)鍵器件，使現(xiàn)有毫米波子系統(tǒng)的帶寬-動(dòng)態(tài)范圍積有3個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，為?f足我國未來1015年甚至更長時(shí)期國防軍事、衛(wèi)星遙感、寬帶 通信及深空探測(cè)等領(lǐng)域?qū)撩撞ㄏ到y(tǒng)的應(yīng)用需求奠定

12、堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(二)五年預(yù)期目標(biāo)(1)在下列重要前沿領(lǐng)域取得有國際影響力的創(chuàng)新研究成果：1逼近量子噪聲極限的光生毫米波原理與方法；2噪聲環(huán)境下，微弱毫米波信號(hào)變頻機(jī)理與方法；3毫米波信號(hào)高Q可重構(gòu)光處理理論與方法；4長距離、低相位噪聲的毫米波光纖傳輸理論與方法。(2)在上述研究成果指導(dǎo)下取得國際同期先進(jìn)水平的器件與技術(shù)成果：1頻率覆蓋范圍不低于300GHz、波形保真度較現(xiàn)有的提高1個(gè)數(shù)量級(jí)的 毫米波復(fù)雜波形產(chǎn)生器；2實(shí)現(xiàn)相位抖動(dòng)小于信號(hào)周期 1%的毫米波穩(wěn)相彳輸：頻率 30-100GHz 光纖傳輸距離大于50km；頻率100-300G,光纖傳輸距離大于20km；3 Q值優(yōu)于4000、可重構(gòu)的毫米波

13、濾波器；4頻率覆蓋范圍30GHz-300GHz延時(shí)精度優(yōu)于± 1pS勺寬頻譜全光毫米波 真延時(shí)器；5信號(hào)帶寬10GHz,動(dòng)態(tài)范圍從100dB/Hz-23提升到130dB/Hz-23的光載毫 米波變頻器；6 30GHz-300GHz大范圍可調(diào)的毫米波源，相位噪聲優(yōu)于-165dBc/Hz10kHz7半波電壓小于3V、帶寬不低于40 GHz的光調(diào)制器；帶寬不低于100 GHz、飽和光電流不低于10 mA的高飽和功率光探測(cè)器；(3)在上述成果的支持下，選擇對(duì)雷達(dá)或空天探測(cè)具有重要應(yīng)用意義的頻段，構(gòu)建毫米波接收前端子系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，主要指標(biāo)如下：W頻段、信號(hào)帶寬大于10GHz«無失真動(dòng)

14、態(tài)范圍大于120dB/Hz-23,其帶寬-動(dòng)態(tài)范圍積較現(xiàn)有系統(tǒng)有 3 個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。該平臺(tái)可為下一代軍事雷達(dá)、衛(wèi)星遙感及深空探測(cè)毫米波系統(tǒng) 的研發(fā)提供支撐。(4)知識(shí)產(chǎn)權(quán)：在國內(nèi)外核心刊物及重要國際會(huì)議發(fā)表論文300篇以上，其中SCI收錄論文150篇以上。申請(qǐng)或授權(quán)國家發(fā)明專利 20項(xiàng)以上。(5)人才培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)術(shù)骨干10人、博士研究生培養(yǎng)40人、碩士研究生60 人；爭取培養(yǎng)23名國家杰出青年基金等國家人才計(jì)劃獲得者。三、研究方案（一）總體研究思路本項(xiàng)目以寬帶毫米波器件與系統(tǒng)中的微波光子學(xué)基礎(chǔ)研究為中心，牢牢抓住三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，對(duì)復(fù)雜波形的產(chǎn)生、長距離穩(wěn)相傳輸、可重構(gòu)信號(hào)處理、 高 精度延

15、時(shí)、大動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換及低噪聲振蕩器關(guān)鍵器件與子系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終建立帶寬-動(dòng)態(tài)范圍積較現(xiàn)有提升3個(gè)數(shù)量級(jí)的毫米波光子產(chǎn)生、傳輸、處理與控 制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。（二）技術(shù)路線1 .復(fù)雜波形產(chǎn)生基于較低頻微波信號(hào)的電光調(diào)制， 研究寬帶多譜線光譜的生成方法。 通過理論分析，探明調(diào)制前的時(shí)域波形與調(diào)制后輸出光譜的時(shí)頻映射關(guān)系，以及輸出光譜相位、譜線頻率影響的物理機(jī)理，探索有效降低輸出光譜相位噪聲和減小譜線 頻移，增大輸出光譜帶寬的可行方案。采用非線性光學(xué)過程進(jìn)行光譜擴(kuò)展，以解決高譜寬的多譜線光信號(hào)的產(chǎn)生問題。將利用基于納米非線性材料波導(dǎo)中的光學(xué)非線性作用機(jī)理與過程， 優(yōu)化微納 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式特性進(jìn)行色散等效應(yīng)

16、的調(diào)控，從物理機(jī)理上解決實(shí)現(xiàn)高效、低噪 聲的寬頻譜光源方面的相關(guān)關(guān)鍵物理問題和非線性展寬機(jī)理問題。應(yīng)用光學(xué)理論，充分考慮寬譜光信號(hào)的時(shí)域色散、空間散焦、頻域分離等高階效應(yīng)的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)寬譜全光波形變換的理論進(jìn)行分析， 揭示其中的不理想性 因素對(duì)波形失真效應(yīng)的影響規(guī)律。通過引入衍射光學(xué)元件等進(jìn)行光束波前變換，將傳統(tǒng)的高斯光束變換為光強(qiáng)包絡(luò)調(diào)制優(yōu)化的光束形式，同時(shí)研究寬譜光信號(hào)經(jīng) 過該類變換器件后的色散、色差等問題，為獲得具有更大時(shí)域窗口的低失真復(fù)雜毫米波信號(hào)探索有效的解決途徑。2 .毫米波長距離穩(wěn)相傳輸結(jié)合理論仿真，研究環(huán)境溫度、壓力、彎曲以及光纖非線性效應(yīng)等因素對(duì) 光纖延遲的影響，分析光纖延遲

17、與上述因素之間的物理關(guān)聯(lián)性，分析光纖延遲在信號(hào)往返時(shí)間內(nèi)的變化情況，評(píng)估返相位校正的理論精度（或固有誤差），完成穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。對(duì)于高精度的光波相位誤差檢測(cè)，采用偏振分集相干混頻方式，克服偏振 敏感問題；采用外差混頻、差分檢測(cè)方法，抑制光載波相位和幅度噪聲，提高相 位檢測(cè)精度；采用數(shù)字相位檢測(cè)方法，擴(kuò)展相位檢測(cè)的范圍，實(shí)現(xiàn)多個(gè)2范圍的相位檢測(cè)。對(duì)于快速、高精度、大線性范圍毫米波相位的控制，重點(diǎn)研究光波相位與 毫米波相位的互相轉(zhuǎn)換機(jī)理和光波相位的控制機(jī)制。采用改變兩光載波之間相位 差實(shí)現(xiàn)毫米波的相位控制，并在解決光鎖相的偏振正交光載波生成方法基礎(chǔ)上， 研制出頻率范圍30G300G線性移

18、相范圍360°,移相速度小于1ns、移相誤差 小于2°的毫米波光子移相器。采用基于半導(dǎo)體光放大器（SOQ四波?M頻（FWM）效應(yīng)的非線性混頻方 法實(shí)現(xiàn)毫米波鑒相。將研究FWM效率與SOA交叉增益調(diào)制（XGM）之間的物理 關(guān)聯(lián)性，提出基于XGM控制的提升非線性混頻效率的思路，實(shí)現(xiàn)高效率、高精 度的毫米波鑒相。3 .可重構(gòu)毫米波信號(hào)處理通過對(duì)科學(xué)問題的研究，獲得毫米波信號(hào)處理與光頻譜結(jié)構(gòu)、光頻譜處理策略之間的關(guān)系與規(guī)律；基于這些成果，構(gòu)造光載毫米波頻譜，并對(duì)之實(shí)施相應(yīng) 的幅度、相位、延時(shí)等處理；最終，實(shí)現(xiàn) N個(gè)系數(shù)可調(diào)的N階無限沖擊相應(yīng)函 數(shù)，由此解決高Q和可重構(gòu)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的

19、問題。高Q動(dòng)態(tài)可調(diào)可重構(gòu)濾波器將由三個(gè)功能組成：色散、非線性補(bǔ)償功能， 第一級(jí)濾波和第二級(jí)濾波。第一級(jí)濾波和第二節(jié)濾波的通帶中心頻差決定了濾波 器的最小帶寬，最大的自由譜寬決定了濾波器的調(diào)諧范圍，它們的級(jí)聯(lián)構(gòu)成高Q動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波器的主體。第一級(jí)和第二級(jí)濾波器將采用高性能的IIR,為進(jìn)一步提高Q值、擴(kuò)展濾波 器可調(diào)諧范圍，將研究濾波器自由譜區(qū)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的原理與方法。4 .面向光子功能集成的全光真延時(shí)器件采用波長變換來實(shí)現(xiàn)光域信號(hào)的光譜隔離與調(diào)諧。將建立寬帶毫米波的全 光波長變換理論分析模型，分析波長變換過程中毫米波信號(hào)的輸入和輸出轉(zhuǎn)換關(guān) 系；為提高波長轉(zhuǎn)換效率，將研制基于微納結(jié)構(gòu)的高非線性光學(xué)介質(zhì)

20、，構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊、高集成度的光譜隔離模塊。對(duì)于色散器件，將研究光纖光柵、光子晶體光纖、光學(xué)諧振環(huán)等器件在 30300GHZI帶內(nèi)作為毫米波延時(shí)光子器件的適應(yīng)性，研究延時(shí)抖動(dòng)、偏振模色 散等對(duì)延時(shí)精度的影響。將研究均勻光纖光柵、線性 /非線性明啾光柵混合的新 結(jié)構(gòu)與器件模式改善延時(shí)精度的理論與方法?，F(xiàn)有的基礎(chǔ)表明，這種結(jié)構(gòu)具有改 善延時(shí)精度的可能性。為此本項(xiàng)目將研究其品質(zhì)因數(shù)、阻帶寬度及不同調(diào)制格式 等多種因素對(duì)時(shí)延抖動(dòng)的影響，以及反射帶寬、反射率、變跡特性等參數(shù)的特性， 通過各種參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化減小時(shí)延抖動(dòng)的影響， 以實(shí)現(xiàn)高精度、可控性強(qiáng)的毫米 波光真延時(shí)。5 .光-毫米波信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換光-毫

21、米波信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換涉及到的關(guān)鍵器件為低半波電壓的調(diào)制器和大飽和功率的光電探測(cè)器。本項(xiàng)目將結(jié)合長期高速光電子器件的研究基礎(chǔ)， 通 過創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)機(jī)理、制作工藝和封裝實(shí)現(xiàn)，對(duì)這兩種器件進(jìn)行研制， 并對(duì)器件進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍提升的應(yīng)用理論與技術(shù)研究：上變頻過程的難點(diǎn)在于不僅要抑制非線性失真，而且要保證轉(zhuǎn)換效率和信 號(hào)的傳輸性能和轉(zhuǎn)換效率。本課題擬采用基于雙平衡 MZ調(diào)制器的上變頻結(jié)構(gòu)， 在振幅匹配的條件下，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)條件和參數(shù)配置控制交調(diào)干擾的相位， 抵消 信號(hào)的高階（尤其是三階）交調(diào)干擾；針對(duì)交叉調(diào)制失真，擬采用信道化技術(shù)進(jìn) 行預(yù)失真處理或后補(bǔ)償處理的方法，通過提取鏈路信息不斷修正，實(shí)

22、現(xiàn)對(duì)交叉調(diào) 制失真的有效抑制。在下變頻方面：擬采用零差相干檢測(cè)方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，提高接 收機(jī)靈敏度，并實(shí)現(xiàn)光毫米波信號(hào)直接下變頻到基帶信號(hào)。研究提高相干檢測(cè)光 毫米波鏈路性能的機(jī)理和方法，發(fā)展光毫米波體制下的相干檢測(cè)器件及關(guān)鍵單元 技術(shù)，包括：高穩(wěn)定性相干光源、平衡接收、偏振分集和相位分集等。噪聲壓縮機(jī)制與方法方面：將根據(jù)噪聲統(tǒng)計(jì)理論，研究噪聲在光毫米波鏈路中的演化規(guī)律，為噪聲壓縮提供指導(dǎo)。散彈噪聲和相對(duì)光強(qiáng)度噪聲是噪聲壓縮 的重點(diǎn)，擬在接收端采用雙輸出MZM平衡探測(cè)器，通過差模輸出抑制共模噪聲。6 .低噪聲寬調(diào)諧毫米波器毫米波光電混合振蕩器 （OEO沖高功率鎖模激光器做為光源，激光器

23、輸出 的飛秒脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖環(huán)路時(shí)延，以獲得產(chǎn)生低噪聲高質(zhì)量信號(hào)所需的高品質(zhì) 因數(shù)（Q值），光電探測(cè)器將脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)而后進(jìn)入濾波、放大，最 后反饋給激光器內(nèi)部的鎖模調(diào)制器件。在此過程中會(huì)存在不同頻率的噪聲擾動(dòng)， 循環(huán)經(jīng)過射頻濾波器選出希望起振的頻率， 并用來反饋調(diào)制激光器。環(huán)路中的射 頻放大器提供增益補(bǔ)償毫米波信號(hào)環(huán)路損耗。解決在高頻偏和低頻偏范圍內(nèi)同時(shí)降低相位噪聲與寬調(diào)諧、小尺寸要求之 間的矛盾，需提高Q值。本項(xiàng)目的研究思路是利用具有分形特征的諧振腔，由 于模式耦合、游標(biāo)效應(yīng)（Vernier caliper effect:）等的作用，極大地抑制副振蕩模 式，實(shí)現(xiàn)極高的信號(hào)純度，同時(shí)

24、還可維持較短的腔長，以利于減小尺寸和提高穩(wěn) 定性。還將研究利用電注入鎖定或光電互注入鎖定的OEO結(jié)構(gòu)進(jìn)一步抑制相位噪聲，實(shí)現(xiàn)30300GHz寬調(diào)諧。為進(jìn)一步降低毫米波光電振蕩器的噪聲，需要抑制激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、 射頻放大器噪聲和環(huán)境噪聲等。本項(xiàng)目將采用以餌鏡共摻的磷酸鹽玻璃為增益介 質(zhì)的線型腔飛秒激光器，可實(shí)現(xiàn)大功率、窄線寬（10Hz以下）的光頻梳，經(jīng)過 光電檢測(cè)器（PD）進(jìn)行拍頻即可得到頻率為光頻梳頻率間隔的毫米波信號(hào)。大 功率先輸出可以降低光纖鏈路的損耗。同時(shí)引入強(qiáng)度噪聲和相位噪聲抑制技術(shù)， 使此激光器實(shí)現(xiàn)接近散彈噪聲極限的性能。另外利用光頻梳穩(wěn)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器 長期穩(wěn)定性。對(duì)于影響O

25、EO相位噪聲的其它因素如光纖環(huán)路時(shí)延、微波放大器噪聲系數(shù)、 環(huán)境溫度/振動(dòng)因素等，我們將建立系統(tǒng)理論模型，研究降低其影響的方法。綜 合上述關(guān)于噪聲的研究思路，實(shí)現(xiàn)逼近量子噪聲極限的OEO毫米波信號(hào)輸出。OEO的寬調(diào)諧能力將通過調(diào)節(jié)飛秒激光器的腔長來實(shí)現(xiàn)輸出光梳頻率間隔 的改變，同時(shí)結(jié)合光學(xué)選模原理實(shí)現(xiàn)。采用線性腔結(jié)構(gòu)的飛秒激光器所產(chǎn)生光頻梳信號(hào)的頻率間隔是由激光器的有效腔長所決定，控制腔長可實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的小范圍連續(xù)調(diào)諧；對(duì)光頻梳信號(hào)進(jìn)行模式選擇后進(jìn)入 PD拍頻，可實(shí)現(xiàn)毫米波信 號(hào)的大范圍離散調(diào)諧；綜合腔長控制與模式選擇可實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的大范圍連續(xù) 調(diào)諧。7 .試驗(yàn)平臺(tái)利用本立項(xiàng)所獲得的理論成

26、果和實(shí)驗(yàn)成果，輔以已有的研究基礎(chǔ)條件，選 擇對(duì)雷達(dá)或空天探測(cè)具有重要應(yīng)用意義的頻段，構(gòu)建毫米波接收前端子系統(tǒng)演示 平臺(tái)。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻段：W 頻段(75-100GHz)信號(hào)帶寬：10GHz;無失真動(dòng)態(tài)范圍：120dB/Hz-23;光纖傳輸：20km ；(三)可行性分析(1)本項(xiàng)目方案建立在項(xiàng)目組已有理論成果、關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上。這些突 破是本立項(xiàng)方案原理可行的基礎(chǔ)與保障。毫米波光頻譜處理理論是微波光子學(xué)復(fù)雜信號(hào)產(chǎn)生、預(yù)處理等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題，項(xiàng)目組在這方面已取得突破，主要成果包括：1發(fā)展出對(duì)光載毫米波頻譜進(jìn)行處理、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)進(jìn)行處理的思想與方法，證明了對(duì)光頻譜振幅、相位進(jìn)

27、行處理可實(shí)現(xiàn)如下的功能： 毫米波矢 量信號(hào)的產(chǎn)生，MZ調(diào)制器非線性的抑制，光纖色散的補(bǔ)償，寬頻段無線信號(hào)的全光復(fù)用、解調(diào)。2揭示了光載毫米波頻譜非對(duì)稱性對(duì)毫米波信號(hào)質(zhì)量的影響在于多徑干 擾對(duì)其幅度、相位抖動(dòng)的放大。3揭示了光譜形狀優(yōu)化對(duì)光子色散系統(tǒng)提高毫米波信噪比的重要性。在相位穩(wěn)定傳輸方面，項(xiàng)目組提出了基于光電鎖相技術(shù)的微波信號(hào)相位穩(wěn) 定光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)了 10GHz信號(hào)、傳輸后抖動(dòng)小于1ps的50公里穩(wěn)相傳輸。在毫米波真延時(shí)方面，項(xiàng)目組研制出了 4路5比特基于寬譜光源與光子晶 體光名f的OBFN樣機(jī)，延時(shí)范圍0-1.5ns,工作頻率從9.25到10.25GHz各路傳 輸線的微波信號(hào)幅值偏差不

28、大于 0.5 dB,無失真動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)105dB/Hz-23;在下變頻方面，實(shí)現(xiàn)了基于平衡混頻式偏振分集的相干光混頻技術(shù)。（2）項(xiàng)目組所擁有的人才梯隊(duì)與科研條件為本項(xiàng)目完成提供了研究環(huán)境與人員 保障項(xiàng)目的參與單位為清華大學(xué)清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）北京大 學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、北京郵電大學(xué) 光通信和光波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信 系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、北京航空航天大學(xué) 國家航空實(shí)驗(yàn)室（籌）這些科研單位 都是國內(nèi)長期從事光電子、微波以及微波光子學(xué)研究的科研基地，有著深厚的科研基礎(chǔ)積累與技術(shù)力量儲(chǔ)備。難得可貴的是，這些科研基

29、地有著長期的合作歷史， 各基地在通力合作中展現(xiàn)的相互促進(jìn)、彼此支持的高尚風(fēng)范為項(xiàng)目的順利實(shí)施創(chuàng) 造了和諧氛圍。該項(xiàng)目的科研團(tuán)隊(duì)擁有微波、光電子兩大領(lǐng)域高水平的學(xué)術(shù)帶頭人與科技 骨干力量，背景包括軍事通信、衛(wèi)星遙感、寬帶光纖通信網(wǎng)、集成光子器件，科研力量強(qiáng)大，人才梯隊(duì)結(jié)構(gòu)合理。而且該團(tuán)隊(duì)思想活躍，業(yè)績突出，在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與項(xiàng)目組織管理方面都擁有豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。這一雄厚的科研條件與人才隊(duì)伍，為項(xiàng)目的創(chuàng)新與順利實(shí)施在人才力量上做好了準(zhǔn)備。（3）項(xiàng)目組前期從事的基礎(chǔ)研究活動(dòng)、項(xiàng)目實(shí)施、論文發(fā)表等經(jīng)驗(yàn)積累為項(xiàng)目 完成提供了經(jīng)驗(yàn)與物質(zhì)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的研究有前期研究工作基礎(chǔ)和積累，擁有大量基礎(chǔ)

30、支持本項(xiàng)目的研究。以下為部分代表性的發(fā)表（錄用）在國內(nèi)外期刊上的以及被頂級(jí)國際會(huì)議錄 用的論文。（1）毫米波的全光產(chǎn)生1. Peiming Shi, Song Yu（喻松），Zekun Li, Yaojun Qiao, Wanyi Gu（顧腕儀）,A frequency sextupling scheme for high-quality optical millimeter-wave signal generation without optical filter, Optical Fiber Technology, Revised and accepted.2. Ying Zhao , X

31、iaoping Zheng , Hanyi Zhang, and Bingkun Zhou, “ UWBover-Fiber Transmission System Using a Dual-output Mach-Zehnder Modulator ” , Chinese Optics Letters, 8 （454-456, 2010.3. Peiming Shi, Song Yu（喻松）,Zekun Li, Jien Song, Jing Shen, Yaojun Qiao, Wanyi Gu（顧腕儀）,A novel frequency sextupling scheme for op

32、tical mm-wave generation utilizing an integrated dual-parallel Mach-Zehnder modulator, Optics Communications, 283（19）: 3667-3672, 20104. Zhao Ying, Zheng Xiaoping, Wen He, Zhang Hanyi, Simplified optical millimeter-wave generation configuration by frequency quadrupling using two cascaded Mach-Zehnde

33、r modulators, Optics Letters, 34（21）: 3250-3252, 20095. Zhao Ying, Zheng Xiaoping, Wen He, Zhang Hanyi, Optical millimeter-wave signal generation by frequency quadrupling using two cascaded Mach-Zehnder Modulators, 2009 IEEE LEOS Annual Meeting Conference, LEOS 09, pp 513-514, 20096. Li Shangyuan, Z

34、heng Xiaoping, Zhang Hanyi, Zhou Bingkun, Generation and modulation of 2.5Gbps ultra-wideband monocycle pulses from non-return-to-zero data,CLEO/Pacific Rim 20097. Li Shangyuan; Song Yiqiao; Zheng Xiaoping; Zhang Hanyi; Zhou Bingkun , All-optical subcarrier phase modulation for WDM radio-over-fiber

35、system, Conference on Quantum Electronics and Laser Science Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO/QELS, p4552257, 20088. Cheng Zhang, Cheng Hong, Mingjin Li, Weiwei Hu, Zhangyuan Chen,“60GHz millimeter- wave generation by two-mode injection-locked Fabry-Perot laser using second-order sideban

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39、eration of continuously tunable millimeter-wave signal employing an external intensity modulator, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY 13 (1): 56-61 JAN 200713. Yu XB, Zhang HY, Zheng XP, High carrier suppression double sideband modulation using polarization state rotation filter and optical external modulator,

40、 OPTICS COMMUNICATIONS 267 (1): 83-87, 2006(2)毫米波光移相1. Lumin Zhang, Le Chang, Yi Dong （董毅）,Weilin Xie, Hao He, Weisheng Hu （胡衛(wèi)生）,“Phasdrift cancellation of remote radio frequency transfer using opto-electronic delay locked-oop ” , Optics Letters 36 （6）: 873875, 03/15/20112. Li ZH （李朝暉），Yu CY, Dong Y

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45、 ZH （李朝輝）;Tian, XQ; Wang, QJ; He, H （何浩）； Lu, C; Wang, YX; Hu, WS （胡衛(wèi)生）；Cheng, TH. "Opticalfiber polarization interferometer for performance improvement in radio-over-fiber systems ”IEEE Photonics Technology Letters 19 （16）: 1236-1238, 20078. Zhaohui Li （李朝輝）,Yi Dong （董毅）,Yang Jing Wen, Yixin W

46、ang, TeeOpticalHiang Cheng, Chao Lu, Weisheng Hu （胡衛(wèi)生）"Realization of RF Phase Shift onAmplitude Modulated Data for Smart Antenna in Wireless Access NetworksFiber Communication Conference, and the National Fiber Optic Engineers Conference （OFC 2007）, 5-10 March 20079. Y. Dong （董毅）,Z. H. Li （李朝輝

47、）,Q. J. Wang, C. Lu , Y. J. Wen, Y. X.Wang, T. H. Cheng, W. S. Hu（胡衛(wèi)生（" Broadband RF Photonic Phase Modulator Based on a Novel Nonlinear Optical Loop Mirror "Proceedings of ECOC 2006,Mo4.4.210. Lilin Yi （義理林），Li Zhan （張黎）,Weisheng Hu （胡衛(wèi)生）,PeigangHu, Yikai Su （蘇翼凱），and Lufeng Leng, “AHighl

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49、ong Gao, Jinxuan Wu, Zhao Tu, Cheng Zhang, Dandan Wu, Weiwei Hu, Zhangyuan Chen, “A Scheme of Photonic Notch Filter Using DGD Method for Radio-over-Fiber Communication Systems PIERS2009, Beijing.3. Yu XB, Zheng XP, Zhang HY , PMD measurement of hollow-core photonic bandgap fiber by investigating pow

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