微波光子积分器在宽带信号处理中的应用

黄宁博，张安旭，孙亨利，吕 强

(1.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



微波光子积分器在宽带信号处理中的应用

黄宁博1,2，张安旭1,2，孙亨利1,2，吕 强1,2

(1.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对传统的基于电子电路的信号处理带宽和速度不能满足日渐增长的宽带信号需求的问题，在对微波光子技术充分调研和分析的基础上，提出了基于微波光子积分器的信号处理概念和相应器件功能，总结了近年来微波光子积分器的研究进展及其性能参数并指明了微波光子积分器在宽带微波信号处理方面的重要应用以及相较于电子处理器的明显优势。最新研究结果表明，微波光子积分器的时间带宽积可达到28 800，比传统电子器件高2个数量级。

微波光子学；信号处理；积分器；光子集成电路；光滤波器

0 引言

微波射频电子学、光纤通信和超快光学等学科的快速发展催生了一个新的融合交叉研究领域——微波光子学[1](Microwave Photonics)。微波光子学主要研究微波和光波的相互作用，其应用领域有宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信、仪器仪表和现代电子战等[2]。微波光子学是伴随着光纤通信器件及系统的发展而逐步得以发展的，光通信相比微波通信的优势在微波光子学中均有体现：载波所具有的巨大带宽优势(例如在光纤通信常用的1 550 nm波段，对应的光频率约为193 THz，即使是1%的载波频率调制范围所能达到的带宽也远远超过微波通信带宽)、传输介质所具有的重量轻、低损耗(例如石英光纤在1 550 nm波段的损耗仅为0.2 dB/km，远小于电缆损耗)、光载波能够抵抗空间存在的各种电磁干扰等，而这也正是目前电子技术面临的困境[3]。因此，探索用光子学技术和方法来进行微波信号的产生、传输和处理等就成为了微波光子学的热门研究方向。

在过去的几十年间，硅基CMOS技术的发展极大地促进了电子电路技术的进步。随着信息技术日益增长的需求，受传统电子电路的带宽、功耗和信息处理速度等限制，电子技术在处理更高速的信号方面举步维艰。而近十多年发展起来的光子集成电路因具有大带宽、低功耗和高处理速度等优势而成为电子电路的理想继任者。把光子集成电路应用在计算、信号处理和网络互联等方面，能够全面克服基于电子电路系统导致的信号处理速度和带宽等的限制。尤其是在信号处理领域，传统的电子电路信号处理器由于其内在的瓶颈限制，有限的采样速度无法满足日益增长的高速信号处理需求[4]。利用光子学方法能够对更高带宽的微波信号进行处理，且相比于同类电子器件，它们展现出一些更独特的优势，如高频信号处理能力、较大的频率调谐能力[5]，这使得微波光子信号处理技术尤其适用于现代雷达和电子战系统。在微波光子信号处理系统中，微波光子滤波器(Microwave Photonic Filters，MPF)和微波光子微积分器(Photonic Differentiators/Integrators)、微波光子傅里叶变换与逆变换器(Fourier Transformer)等即是这样一类器件，能够用光子学的方法实现微波信号的滤波、微分和积分、变换等处理过程。文献[6-10]论述了微波光子滤波器的原理及在通信和雷达信号处理中的应用，并给出了不同的滤波器结构实现方案；文献[11-21]介绍了近年来基于不同器件构建的微波光子微积分器的功能架构图，并给出了理论和实验测试结果，为其在宽带信号处理方面的应用奠定了研究基础；文献[22-24]论述了微波光子傅里叶变换与逆变换器，主要介绍了其在大容量光正交频分复用(OOFDM)传输系统中的应用及实现方案。本文以微波光子积分器为例，结合本实验室的研究基础和实验条件，介绍它在宽带信号处理方面的理论及应用。

1 微波光子积分器原理

N阶微波光子时域积分器是一个能够对任意输入波形的复包络进行N次时域积分并输出其积分后波形的器件，它与电子电路中的“电容器”功能类似，将输入到其中的光子能量累加并输出。目前已经有基于光纤布拉格光栅、硅基微环、半导体光放大器和光子晶体等器件结构的光子时间积分器被设计提出并在实验中得到了验证。

纯粹从数学上来讲，积分就是求一个导函数的原函数的过程。对于较简单的初等函数，可以直接写出或推导出其原函数，但对于较复杂的函数如超越函数，它们的原函数在求解时异常繁琐，且通常无法得到解析解。在实际应用时，大多数情况下需要求解的常常是变化规律无法用解析式表达的信号，它们通常是初等函数和各种超越函数的组合，对这类函数常常需要求解从开始时刻到某一特定时刻的累积效果，如流量随时间变化的水流在一段时间内所流过的总水量，一个电容器在一定充电时间内所积累的总电量等等；抛开信号函数所表征的具体物理意义，抽出其模型，从数学上分析，这其实就是求该信号函数在这段时间内的积分。当输入信号函数是一个高斯脉冲时，积分后输出一个类似阶跃函数的信号；当输入是2个同相高斯脉冲，积分输出后则是一个类似梯状台阶信号；当输入是2个反相高斯脉冲信号，输出一个类似于矩形的信号。

又如对于传感器采集到的随时间变化的电信号，要求其从开始到某一时刻的累积结果值，以电子电路中的积分器为例，先直观地理解积分器的积分功能。由集成运放和电阻、电容等器件构成的一个简单负反馈积分运算电路如图1所示。

图1 电子电路积分器

根据集成运放同相输入端与反相输入端的特点，可以得到输出端的电压信号表达式为：

(1)

输出端电压与电容C上的电压反相，由于电容的端电压是流过其上电流的积分，加上集成运放输入端虚短虚断的特点，因此输出端电压信号也正是输入端电压信号的积分。若输入信号是一个随时间变化的信号，则主要关心的是这个函数在特定时间变化范围内时的定积分值的变化情况。

从时域上理解积分器的积分功能较为直观，但对积分器件的选取和制作却无多少指导作用；而从频域来理解积分器则更有助于判断选择什么样的器件适合作为积分器使用。在信号与系统理论中[25]，根据卷积和单位阶跃函数的定义，一个函数f(t)与单位阶跃函数u(t)的卷积表达式为：

(2)

若函数f(t)的傅里叶变换为F(ω)，单位阶跃函数的傅里叶变换为U(ω)，则该卷积式的傅里叶变换为：

(3)

式中，F表示傅里叶变换。根据傅里叶变换的性质，从时域与频域的对应关系来考虑，时域上2个函数的卷积的傅里叶变换即为频域上2个函数的傅里叶变换的乘积，即

(4)

从上面这2个时域和频域表达式可以看出，一个函数与单位阶跃函数作用后便可得到该函数的积分。阶跃函数的傅里叶变换式为：

(5)

以单位阶跃函数为例，如果把U(ω)看作是一个器件的传输响应，则任意输入信号通过该器件后，器件的输出即为输入信号的积分结果；换言之，这种器件可作为积分器使用。然而在实际应用中，频率响应如阶跃函数这般在中心频率处达到无穷大的器件是不存在的，在选取实际可用的器件时只能尽量去靠近这一频率响应，即选取频率响应H(ω)与U(ω)成比例的器件：

(6)

例如在上面的由集成运放和电阻、电容构成的积分器中，电容器C的输出电压与输入电流的比值即阻抗XC=1/(jωC)，满足XC∝ (1/(jω))，故该器件和集成运放的组合能够实现对输入电压信号的积分功能也就在理论预期中。

从上面的推导可以看出，欲使得一个器件具有积分功能，其传输响应应当具有式(6)所表示的传输特性，其输出即能实现对输入信号的积分，积分器功能框图可参阅文献[16]所示。对于微波光子时间积分器，所要实现的功能是类似的，即要实现对任意输入光信号的积分功能。要实现这类光子时间积分器，就需要寻求具有上面公式所描述的频率响应的光电子器件。评价光学时间积分器的主要参数有积分时间窗口、积分带宽等。

2 微波光子积分器的实现方案

在已经有文献报导的实验方案中，研究人员采用了不同的器件作为光学积分器，如无源的光纤布拉格光栅、硅基微环以及有源的F-P型半导体光放大器、有源掺杂光纤光栅等。

2.1 无源微波光子积分器

无源微波光子时间积分器最初由N.Q.Ngo提出，用以进行光暗孤子检测及光脉冲整形。随后他又提出利用相移光纤布拉格光栅的传输谱进行光子积分器的设计，并仿真得到了不同透射率下的积分效果。M.Ferrera等人在硅基上制作了一个单片集成微环结构用作光学时间积分器，并在实验上证明了该硅基微环积分器的积分时间窗口达到800 ps，工作带宽可达200 GHz，且所用制作工艺与传统CMOS工艺兼容，这就为将来光电混合集成电路奠定了工艺平台基础。这一结果远超过以往任何电子器件的带宽和工作速度，也显示了微波光子积分器在信号处理领域的极大应用潜力。利用这个硅基芯片，又进行了一阶和二阶的光子积分器实验。

2.2 有源微波光子积分器

由于微波光子积分器的功效类似于一个滤波器，因此积分器输出信号是较弱的；尤其是对于无源器件的微波光子积分器，微波光子积分器的积分时间窗口因谐振腔的较大损耗而不可避免地降低，无法满足很多实际应用的需求。为了提高积分时间，不少研究人员提出采用有源增益介质腔作为积分器，以期利用增益介质的增益作用补偿谐振腔的损耗，提高微波光子积分器的积分时间。设计了基于F-P型半导体光放大器(SOA)的微波光子积分器，其功能模型如图2所示[26]。对于无源F-P腔滤波器而言，输入光在腔内往返运动并在右端面输出，会经受较大的损耗，导致该F-P腔的品质因子Q值较低，对应于上面传输响应表达式中无增益项。当利用此无源F-P腔作全光积分器时，输出后的积分波形会经历较快地衰减，对应于一个非常短的积分时间。而对于本模型所提出的有源F-P腔而言，F-P腔内损耗以及端面透射损耗均可由腔内的材料增益予以补偿，从而使得内部能储存更多的光能量；当适当提高SOA的泵浦增益电流时，材料所提供的增益基本上能恰好补偿输入光信号在F-P腔内往返运动时的各种损耗，从而能够极大地提高其积分时间窗口；且通过调谐SOA的注入电流，还可实现其腔内增益的调谐，进而实现F-P腔的Q值的调谐。对该模型所示的积分器进行仿真，当积分器谐振腔的Q值达到1×109时，积分器积分时间为68 ns，积分带宽达到66.5 GHz。积分器积分效果如图2所示。

除了使用F-P型有源滤波器作为有源微波光子积分器件外，也有采用集成工艺将2个SOA环集成在一个芯片上用作积分器模块。实验上也已经验证，这种基于集成SOA环的全光积分器的积分时间窗口达到了创纪录的6 331 ps，比硅基无源CMOS工艺的积分器的积分时间提高了一个数量级。

图2 F-P型SOA积分效果

3 微波光子积分器的应用

微波光子积分器的应用首先体现在宽带信号处理方面，如图3所示，将任意波形发生器(AWG)或可编程脉冲产生器(PPG)产生的高速信号通过宽带电光调制器(商用调制器工作带宽已经达到40 GHz)加载到光载波上，光载宽带信号通过微波光子积分器进行积分处理，最后在光电探测器(成熟商用探测器带宽已达到70 GHz)中将积分后的高速宽带电信号恢复出来，并可以通过示波器或直接加载到应用系统中。如果不借助于微波光子积分器，对高速宽带信号(如Ka波段信号)的积分，仅仅利用电子电路处理是无法实现的。

图3 微波光子积分器宽带信号处理示意

微波光子积分器的另一个应用场合是解微分方程。在很多工程应用中，如天气预报、应用物理、生化等领域常常需要解大量的低阶高阶微分方程。以天气预报为例，由于大气的运动遵循一些已知的物理定律，根据这些定律，可以将大气运动状态写成一组偏微分方程，只要给出初值(大气的当前状况)，就可以求解出方程组随时间变化的变量值，据此得到大气的未来状况。然而求解大量的偏微分方程的过程是极其复杂的，还要求在规定的时间里处理大量的气象数据以尽快获取未来短时间或长时间的天气状况信息，即使采用最简化的大气方程也必须在高速计算机上进行运算。目前这些计算机的运算速度都受限于电子器件的性能，而如若采用全光积分器来解这些偏微分方程，由于光信号处理速度相比于电信号处理速度的优越性，它在解微分方程方面的性能将能极大提高目前天气预报的速度和精度。

在输入2个反相高斯脉冲光情况下：一方面可用于矩形光脉冲信号产生；另一方面还可用于全光逻辑单元或者全光存储单元，输入的第一个脉冲光信号相当于一个使能指令，由于被积分到逻辑电平“1”，在这样一个“高电平”作用下，系统就可以开始进行存储数据；持续一段时间后(2个光脉冲的时间间隔)，如果再输入一个与第一个脉冲有π相位差的高斯脉冲，积分值变为零，相当于逻辑低电平“0”，系统识别到低电平后就停止进行数据存储，并等待下一个逻辑高电平的到来。事实上，基于光纤布拉格光栅的积分器用来作为全光存储介质的实验研究也已经有文献进行了报导[27]，这篇文章里面作者采用基于FBG的光子时间积分器用作光存储单元介质，该积分器的积分时间达到800 ps，时间-带宽积能达到550，此时进行1 bit光存储的开关转换时间可低至1.4 ps。

4 结束语

微波光子技术将微波技术和光子技术优势相结合，搭建形成微波光子系统，这种系统因具有带宽、低损耗和抗电磁干扰等特性而在高速宽带信号处理方面有重要应用。传统的电子电路中的器件如积分器微分器等的带宽、信息处理速度低的缺点严重限制了它们在高速宽带信号处理方面的应用。微波光子积分器利用光子技术和宽带光子器件的优势，能够全面克服基于电子电路系统导致的信号处理速度和带宽等的限制，提高高速宽带信号的处理能力。随着微波光子技术日新月异的发展，其应用领域也将越来越广阔。

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黄宁博 男，(1986—)，博士，工程师。主要研究方向：微波光子学及光通信。

张安旭 男，(1985—)，博士，工程师。主要研究方向：微波光子学及光通信。

Applications of Microwave Photonic Integrators in Signal Processing

HUANG Ning-bo1,2,ZHANG An-xu1,2,SUN Heng-li1,2,LV Qiang1,2

(1.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Due to the fact that the bandwidth and processing speed of the traditional electronic circuits cannot meet the demand of signals with broad bandwidth,a concept of photonic signal processing technology based on microwave photonic integrator has been proposed.A summary of microwave photonic integrators is presented and different proposals of photonic integrators are analyzed.The applications of microwave photonic integrators in signal processing are pointed out and a comparison between the photonic integrator and its electronic counterparts is made.A new research report indicates that the product of time-bandwidth of microwave photonic integrator reaches 28 800,which is 2 times larger than that of the electronic processors.

microwave photonics;signal processing;photonic integrator;photonic integrated circuits;optical filter

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.17

黄宁博，张安旭，孙亨利，等.微波光子积分器在宽带信号处理中的应用[J].无线电工程,2016,46(12):68-72.

2016-08-30

国家自然科学基金青年基金资助项目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)12-0068-05