973 2012CB315700 面向宽带泛在接入的微波光子器件与集成系统基础研究 - 图文

和大容量传输机制，包括基于单探测器的超宽带接收与处理。

[频谱操控与自适应补偿] 以提高链路动态可重构特性和趋避链路中的干扰及恶化效应为目标，研究各种频谱精细调控技术，包括利用光学非线性效应及光控器件实现频率变换及信号参数调谐，承载多种混合调制格式信号时的频谱分配，以及链路中信号的多粒度灵活交换等。基于以上技术手段，进一步研究微波光子信号传输系统中的有效协同方式，建立能适应各种实时传输需求且能有效保证安全性通信的微波光子链路架构。对链路中的时变线性和非线性恶化效应，以高速频谱分析为主，实现在线快速性能分析与反馈控制，形成闭环机制对链路实施自适应宽带补偿，在光域和电域上采用不同的频谱策略进行补偿。通过上述措施获得最高链路线性度和接近传输理论极限。

（5）完成分布式动态可重构微波光波融合系统的建模与实验

[分布式动态可重构智能光载无线网络的建模] 从分布式天线节点的功能模型、网络的拓扑模型以及有线无线传输链路模型出发，建立宽带泛在感知网络的容量与能耗均衡理论，计算分布式动态可重构智能光载无线网络体系容量与能耗的均衡极限，评估动态控制光微波频率、幅度、相位和空间分布，进行网络编码等方法来迫近均衡极限的效果。以模块化思路建立一套较为完整的仿真模型库，研究复杂拓扑结构下智能光载无线网络的组网以及高功率、多波长情况下模拟光链路动态范围与噪声特性的优化。

[光子射频幅度、相位、频率和空间分布控制] 利用电光转化将射频信号转化为光域内两根谱线，通过控制其中一根谱线的幅度和相位，从而达到控制射频信号幅度和相位的目的；基于光子射频幅相控制，构建光子型有向天线，实现对射频信号空间分布的控制；通过调节泵浦波长，利用高非线性器件里面的交叉增益调制特性和阵列波导光栅（AWG）的波长选择特性，将信号光上的射频信号转移到泵浦波长上，利用AWG处光波长的选择特性实现光域的射频切换。在分布式动态可重构光载无线网络模型的指导下，建立复杂拓扑网络中结合智能感知技术的多通道信号频率、幅度、相位的动态调控机制和基于需求的光和无线联合资源灵活分配算法。针对分布式光载无线网络尚未有高效MAC层协议的现状，并充分考虑光载无线网络的动态可重构属性，提出联合考虑频率和时间双重属性的混合MAC层协议。采用适合于智能光载无线网络的基于需求的联合资源动态调度与灵活分配机制，保障异构环境下联合资源的动态可管控。

[分布式动态可重构系统验证平台] 验证平台采用前述课题研究的高性能半导体电光与光电转换器件以及光生毫米波、滤波、光子射频幅相控制、大动态微波光子链路等传输技术，对整个项目的研究成果进行系统验证和应用展示。本平台采用中心站和分布式接入点的架构，主要包括中心控制单元、光载无线链路、

远端天线单元等。其中，中心控制单元不仅为上层接入提供适配接口，而且实现光载无线网络的动态可管控，包括远端感知信号的分析、射频光切换、幅相控制及资源的联合调度和集中管理；光载无线链路主要实现射频信号分布式拉远及远端感知信号的回传，增加信息传递距离，提高通信质量；远端天线单元可放臵在不同区域，实现通信环境的感知和射频信号的分发。整个实验平台可以由中心控制单元动态定义远端天线的功能，如形成多个微微蜂窝完成大片区域的覆盖，或由多根天线协同形成虚拟MIMO，获得信道容量的显著提升，完成可支持10Gbit/s的接入速率、融合多种无线接入业务、支持虚拟MIMO扩容技术等特点的低能耗分布式天线演示系统。

3、创新与特色

本项目围绕如何攻克三个科学问题这一主线开展深入的科学研究工作，并拟在这三个方面取得如下创新：

（1）在增强微波和光波高效线性作用方面提出新方法和新结构，实现覆盖L～U波段的射频光调制、发射及相应的大功率光电探测器件，为微波光子传输和系统提供器件支持。包括：

? [提出创新性的K～U波段（20～60GHz）光载毫米波发射源集成结构]

针对目前国际上缺少光载毫米波的光发射集成芯片，提出采用注入锁定诱发锁模实现光学拍频的集成结构，利用基于半导体载流子能带内动态特性的高相干度光学拍频效应，实现毫米波调制，并直接将基带数据的上变频，省去了毫米波本振，避免了电光调制带宽限制，从而实现高带宽高线性的毫米波调制光发射集成芯片；

? [提出实现覆盖L～K波段（1～26.5GHz）高线性模拟直调激光器的新方

法] 将芯片潜在带宽与寄生参数综合考虑，提出通过优化器件结构和寄生参数补偿的方法提高模拟直调激光器的性能，突破传统模拟直调激光器带宽低、线性度差的壁垒，实现覆盖L～K波段高线性模拟直调激光器；

? [提出带宽到U波段（60GHz）大功率光电探测的新结构] 针对目前的光

电探测结构存在着探测带宽与探测功率相互制约的难题，提出基于超模匹配的方向耦合光波导新结构，在避免RC时间常数造成带宽限制的前提下，实现光电流在波导中均匀分布，克服在波导前端出现的局部饱和吸收问题，以提高光电探测的饱和输出电流，从而实现U波段高功率光电探测；

? [提出基于超常材料的调制器新方案] 针对目前调制器存在着带宽窄

（低于40GHz）和线性度低的现状，提出基于电控混合型超常材料的宽带高线性度光调制器结构，将超常材料电磁特性可人为设计的特性引入常规半导体材料，采用变换光学理论，利用超常材料的局域场增强效应增强并调控微波与光波的相互作用，解决在介质材料中微波和光波的传播速度失配问题，提高相互作用效率；并采用超常材料的等效电路理论结合电磁共振的基本原理，将超常材料的结构单元开口环谐振器嵌入到调制器的半导体材料中，利用开口环谐振器的电调谐特性调节并提高调制器的线性度，实现调制带宽达到60GHz的高线性度调制功能。 （2）在非线性条件下光域微波信号的超精细调控与传输研究方面提出新方法和新技术，实现多波段（1～60GHz）高频谱效率的微波光子信号处理与传输，包括：

? [提出基于前馈结构与精细信号处理的多波段微波光子前端新方法] 针

对常规反馈结构光锁相环模拟前端的工作频率受限于环路时延，提出一种利用前馈结构和微波信号精细处理相结合的方式，提出一种工作频率可覆盖L-U波段（1～60GHz）的模拟光线前端。在这种结构中，利用硅基光子工艺，设计并制作任意波形与相位可调的光信号处理器，处理频率精细度将达到100MHz,同时采用光域上双偏振调制非线性抵消、光相干平衡检测与电域DSP处理等光电综合处理法来抑制微波光前端的系统中的非线性影响，使光前端在K波段达到达到130dB·Hz2/3动态范围； ? [提出频谱操控的微波光链路低噪大动态传输方法] 针对传输过程中接

入带宽与方式的不同需求以及提高链路抗干扰能力，提出基于频谱操控的动态信道优化方式和保持高信噪比大动态范围的调控方法，以高精细的频谱操控实现动态业务重组，以高速信号调谐提高复杂链路传输或接入环境下的抗干扰能力;

? [提出基于多模空分OFDM-MIMO调制技术的大容量高频谱效率的射频光

传输新方法] 针对分布式远端接入单元对高频宽带信号的频谱效率和容量需求，提出以基于多模空分OFDM-MIMO为代表的新型编码调制与传输方式，同时以在线自适应补偿和前后端补偿等技术解决大功率及相位敏感微波光子信号在传输链路中的非线性相关恶化问题。

（3）在分布式环境下微波光波协同与可重构组网的系统模型研究方面提出新方法和新模型，完成多波段、多制式下光子射频切换、幅相控制以及资源的管理与协同，包括：

? [提出分布式动态可重构光载无线网络模型中容量与能耗的分析方法]

以分布式天线节点的功能模型、网络的拓扑模型以及有线无线传输链路模型为基础，提出分布式动态可重构光载无线网络容量与能耗的理论, 获得分布式动态可重构光载无线网络模型容量与能耗的均衡极限，指导新型网络的设计和优化；

? [提出动态可重构光载无线网络MAC层协议的新模型] 针对分布式光载

无线网络引入光纤产生额外时延，影响现有无线通信技术MAC层协议且降低现有网络吞吐量性能的现状，提出基于光载无线网络动态可重构属性的MAC层协议的新模型，采用频率和时间双重属性因子的混合MAC层协议，将光纤引入的额外时延考虑进MAC层协议设计中，利用时间同步补偿技术，实现各远端天线单元的逻辑准同步，解决微波和光波协同作用下分布式光载无线网络中多小区多用户宽带化、泛在化接入的问题，提高微波光波融合系统的网络性能，从而实现高效分布式动态组网； ? [提出光子射频切换和频幅相控制新方法] 针对微波幅相控制及频率切

换技术速率、扩展性及器件尺寸上的局限，提出基于非线性效应的光子射频切换方法和基于光子平面集成波导技术的光子射频幅相控制方法，高速高效地控制多通道射频信号幅度（功率）、相位（时延）、频率和空间分布特性；

? [提出智能光载无线网络动态资源分配及功率控制新方法] 针对光载无

线网络无线频率资源及光波资源分配不灵活的现状，基于对接入用户数量、位臵及业务需求的感知，结合对无线信道及光纤传输对信号损伤的计算，提出用于分布式微波光波融合系统的动态资源分配及功率控制技术。通过对无线信道使用情况的监控，动态地为用户分配信号的传输光波波长、最优接入天线、无线接入频率及发射功率。通过对无线接入频率及发送功率的控制，最大程度地减小信号发送功率以及频分复用信号之间的非线性干扰，为系统资源的动态分配提供更大空间。

4、可行性分析

本项目围绕宽带泛在接入的国家重大需求开展深入研究，所提出的预期目标与创新突破具有可行性，分析如下：

[研究目标明确] 本项目是根据下一代宽带泛在接入网络的国家重大需求确定，拟在新型微波光子器件的理论、设计、制备与核心技术等方面取得原创性理