973项目清华大学微波光子学项目建议书学习资料.docx

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973项目清华大学微波光子学项目建议书学习资料

项目名称：

新型宽带大动态毫米波器件及应用中的微波光子学基础研究

首席科学家：

郑小平清华大学

起止年限：

2012年1月-2016年8月

依托部门：

教育部

一、研究内容

围绕三个关键科学问题，对六项内容展开研究：

1.基于全光频域信号变换的复杂宽带毫米波信号的产生

（1）光频梳新原理与新方法研究

研究以较低频率的微波调制信号通过电光调制变换产生宽带光谱的新方法。

研究激光器相位噪声与微波信号的相互作用机理，揭示光源相位噪声对输出谱线相位影响的内在规律；探索进一步增大输出光谱可利用带宽的新方法。

（2）光学非线性光频谱扩展与光频梳稳定的机制研究

将基于非线性光学理论，研究多谱线光谱扩展与稳定的方法。

研究高功率密度的多光频分量在高非线性器件中的相互作用机理，揭示非线性过程对频谱相位噪声影响的内在规律；研究高转换效率的非线性光谱展宽技术和相关器件的实现方法；研究反馈控制回路特性、光腔稳定方法等对频谱噪声、抖动等特性的影响，探索获得高稳定度带宽光谱输出的新方法。

（3）全光频域信号变换机制对光生毫米波信号保真度的作用研究

研究全光频域信号变换中的信号失真与混叠机理；研究空域光束分布及变换方式等对波形失真影响的机理。

2.光波相位控制机理与毫米波稳相传输

（1）毫米波光纤传输中相位噪声的形成与演化过程研究

研究光纤色散、非线性、偏振效应与毫米波相位噪声之间的物理关联性，揭示毫米波光纤传输中相位噪声的形成与演化机理，为毫米波传输相位噪声的控制提供依据。

（2）光纤传输的时域非互易性规律及其对稳相精度的影响研究

探索基于时域非互易的光纤传输稳相理论，研究非互易性控制方法。

重点研究光纤相位扰动互易性与光纤物理参数之间的规律；研究高精度、大范围的光波相位误差检测理论和方法，创建基于光波相位误差检测的光纤传输相位测量系统；探索新型的相位校正理论和方法。

（3）毫米波相位控制机制与毫米波光子移相器的研究

光波相位与毫米波相位之间的相互作用和控制机制，研究基于光波相位控制的毫米波光子相位控制方法；研制相应的毫米波光子移相器。

（4）相位误差检测机制与光波、毫米波鉴相器的研究

研究毫米波鉴相精度与非线性混频效率和激光相位噪声之间的物理关联性，研究基于光学非线性效应的毫米波相位误差检测机制；研制高精度的毫米波光子鉴相器。

3.光-毫米波频谱转换理论与宽带毫米波的动态可重构信号处理

（1）光载毫米波信道化滤波器的原理与方法

研究PS-FBG的结构、提高PS-FBG通带和截止带之间过渡带斜率的工艺。

面向频率覆盖至300GHz及以上频段，研究增强PS-FBG透过谱带宽的理论与工艺。

研究基于上述成果的平面波导结构与实现方法。

（2）突破高Q、可重构矛盾的毫米波光子滤波器的新原理与新方法

研究光子IIR滤波器的可调谐性与可重构性；研究IIR滤波器串联时相干串扰消除的理论与方法；研究扩展自由谱区的理论与方法。

（3）基于动态可重构毫米波滤波器的链路色散补偿原理与方法

研究光子器件色散对毫米波性能的影响规律，研究滤波器光波-毫米波的色散关系模型；研究利用滤波器动态特性进行色散补偿的机制与方法。

（4）宽带毫米波光子器件非线性补偿原理与方法

研究利用滤波器动态特性进行非线性失真控制的机制与方法；探索新的物理思路与频谱控制方式，研究对毫米波进行色散与非线性共同补偿的原理与方法。

4.超宽带光频谱延时机理与毫米波全光真延时器件

（1）光域频谱隔离和延时调控机理研究

研究光域隔离不同功能毫米波光子器件的原理；研究基于光谱隔离的宽带光谱调谐原理与方法；研究支持毫米波光子器件功能集成的、基于色散的宽谱信号真延时调控机制与实现方法。

（2）光子器件的色散对毫米波真延时的影响研究

研究光谱调谐过程中毫米波光信号的转换规律，研究宽光谱毫米波信号经过色散光器件后延时随毫米波频率的变化规律；研究消除高阶色散影响的机理与改善延时频率平坦度的方法。

（3）毫米波光子延时器延时精度改善的物理机制研究

研究光子色散器件（光纤光栅、光子晶体光纤、光学谐振环）的色散特性与时延抖动产生、演变和抑制机理；研究降低噪声的光谱优化方法；研究新型的光真时延材料与结构，研究其品质因数、阻带宽度及不同调制格式等多种因素对时延抖动的影响，研究器件多种参数联合优化的策略与方法，实现高精度、可控性强的毫米波延时器。

5.光-毫米波信号大动态范围转换机理与器件

（1）光电噪声的演化规律、压缩方法及其对链路最小可探测功率的物理制约研究

研究光毫米波链路各种光电噪声产生与演化过程中的统计规律，探索噪声对链路最小可探测功率的物理制约机理，探讨在上变频过程中通过光频谱设计降低相对光强度噪声的方法；在下变频过程中，研究基于相干平衡检测的噪声压缩模型，提高双输出差模信号、降低光强度噪声共模信号；研究基于数字信号处理的新型相位噪声补偿机制。

研究基于光电循环振荡的模式选择和放大机理，探索微弱毫米波信号谐振放大的新方法。

（2）毫米波信号高线性度上变频机理研究

研究变频过程中非线性失真（谐波失真、交调失真、交叉调制失真）产生机理，及其对链路无失真最大可探测功率的物理制约；探索通过优化调制器的驱动条件和参数设置提高线性度及抑制非线性失真的方法；探索预失真补偿和低偏置、双平行调制器等新方法、新结构在上变频过程中的应用；探索满足各种应用需求的光谱结构生成方法；研制高线性度的上变频子系统。

（3）光毫米波信号高灵敏度下变频机制研究

研究适合光毫米波链路的高灵敏度相干下变频方法；建立包含光纤链路的各种因素（包括相位噪声、色散和PMD效应、损耗、非线性效应等）和无线链路中各种因素（阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应等）的光毫米波链路理论模型；研究各种损伤与相位噪声补偿的数字信号处理机理与算法；发展光毫米波体制下的相干检测器件及下变频子系统；研制高灵敏度的下变频子系统。

（4）支撑大动态毫米波-光波上下变频的高性能光子器件研究

探索基于低维结构改性的半导体电光系数增强新方法；面向高光功率条件下的载流子产生与输运调控，研究探测材料能带结构的设计方法；研究基于材料和器件结构协同的光波与毫米波模场优化、传播速度匹配设计，探索高饱和光功率调制器和探测器的扩展腔新结构与关键工艺；研究相应的模块封装技术与性能评测方法。

6.低噪声宽调谐毫米波光电混合振荡机理与器件

（1）极低相位噪声毫米波光电混合振荡器（OEO）原理研究

研究OEO系统的相位噪声模型，并分析各种因素与相位噪声的关系，给出OEO输出信号相位噪声逼近量子极限的条件；研究各种注入锁定结构的OEO系统，比较各种具有极高Q值的谐振腔结构，实现极低相位噪声的OEO；研究光电互注入锁定的OEO原理和实现方法；研究高功率、极窄线宽（10Hz以下）的注入锁模激光器，降低其相对强度噪声，从而降低OEO的相位噪声。

（2）OEO毫米波振荡器宽调谐原理和高频率稳定性实现方法研究

研究利用光学方法实现OEO在30~300GHz范围内调谐的原理和可行性；研究OEO毫米波振荡器输出频率的高稳定性原理和方法。

（3）集成化光电混合振荡器的理论与结构研究

研究基于硅基高Q谐振腔的集成化OEO原理和实现方法。

二、预期目标

（一）总体目标

面向我国电子对抗、雷达系统、卫星遥感、宽带无线通信及天文探测等毫米波应用领域发展的重大需求，研究光子噪声与非线性动力学规律及其对毫米波光子器件宽调谐、低噪声、高线性的作用，研究光波与毫米波的谱映射机制对毫米波信号高精度光子处理的作用，研究光频谱级联机制、非需物理效应演化与调控对毫米波光子功能集成的作用；攻克宽带复杂毫米波波形的产生、长距离稳相传输、高Q动态可重构预处理、高精度真延时、大动态光电转换中的关键技术，解决我国毫米波系统向宽带、大动态范围和大区域分配发展过程中的基础科学问题、核心技术与关键器件，使现有毫米波子系统的带宽-动态范围积有3个数量级的提升，为满足我国未来10～15年甚至更长时期国防军事、卫星遥感、宽带通信及深空探测等领域对毫米波系统的应用需求奠定坚实基础。

（二）五年预期目标

（1）在下列重要前沿领域取得有国际影响力的创新研究成果：

[1]逼近量子噪声极限的光生毫米波原理与方法；

[2]噪声环境下，微弱毫米波信号变频机理与方法；

[3]毫米波信号高Q可重构光处理理论与方法；

[4]长距离、低相位噪声的毫米波光纤传输理论与方法。

（2）在上述研究成果指导下取得国际同期先进水平的器件与技术成果：

[1]频率覆盖范围不低于300GHz、波形保真度较现有的提高1个数量级的毫米波复杂波形产生器；

[2]实现相位抖动小于信号周期1%的毫米波稳相传输：

频率30-100GHz，光纤传输距离大于50km；频率100-300G，光纤传输距离大于20km；

[3]Q值优于4000、可重构的毫米波滤波器；

[4]频率覆盖范围30GHz-300GHz、延时精度优于±1ps的宽频谱全光毫米波真延时器；

[5]信号带宽10GHz，动态范围从100dB/Hz-2/3提升到130dB/Hz-2/3的光载毫米波变频器；

[6]30GHz-300GHz大范围可调的毫米波源，相位噪声优于-165dBc/Hz@10kHz；

[7]半波电压小于3V、带宽不低于40GHz的光调制器；带宽不低于100GHz、饱和光电流不低于10mA的高饱和功率光探测器；

（3）在上述成果的支持下，选择对雷达或空天探测具有重要应用意义的频段，构建毫米波接收前端子系统试验平台，主要指标如下：

W频段、信号带宽大于10GHz、无失真动态范围大于120dB/Hz-2/3，其带宽-动态范围积较现有系统有3个数量级的提升。

该平台可为下一代军事雷达、卫星遥感及深空探测毫米波系统的研发提供支撑。

（4）知识产权：

在国内外核心刊物及重要国际会议发表论文300篇以上，其中SCI收录论文150篇以上。

申请或授权国家发明专利20项以上。

（5）人才培养：

培养学术骨干10人、博士研究生培养40人、硕士研究生60人；争取培养2~3名国家杰出青年基金等国家人才计划获得者。

三、研究方案

（一）总体研究思路

本项目以宽带毫米波器件与系统中的微波光子学基础研究为中心，牢牢抓住三个关键科学问题，对复杂波形的产生、长距离稳相传输、可重构信号处理、高精度延时、大动态范围转换及低噪声振荡器关键器件与子系统进行研究，最终建立带宽-动态范围积较现有提升3个数量级的毫米波光子产生、传输、处理与控制的实验平台。

（二）技术路线

1.复杂波形产生

基于较低频微波信号的电光调制，研究宽带多谱线光谱的生成方法。

通过理论分析，探明调制前的时域波形与调制后输出光谱的时频映射关系，以及输出光谱相位、谱线频率影响的物理机理，探索有效降低输出光谱相位噪声和减小谱线频移，增大输出光谱带宽的可行方案。

采用非线性光学过程进行光谱扩展，以解决高谱宽的多谱线光信号的产生问题。

将利用基于纳米非线性材料波导中的光学非线性作用机理与过程，优化微纳波导结构的模式特性进行色散等效应的调控，从物理机理上解决实现高效、低噪声的宽频谱光源方面的相关关键物理问题和非线性展宽机理问题。

应用光学理论，充分考虑宽谱光信号的时域色散、空间散焦、频域分离等高阶效应的影响，对实现宽谱全光波形变换的理论进行分析，揭示其中的不理想性因素对波形失真效应的影响规律。

通过引入衍射光学元件等进行光束波前变换，将传统的高斯光束变换为光强包络调制优化的光束形式，同时研究宽谱光信号经过该类变换器件后的色散、色差等问题，为获得具有更大时域窗口的低失真复杂毫米波信号探索有效的解决途径。

2.毫米波长距离稳相传输

结合理论仿真，研究环境温度、压力、弯曲以及光纤非线性效应等因素对光纤延迟的影响，分析光纤延迟与上述因素之间的物理关联性，分析光纤延迟在信号往返时间内的变化情况，评估返相位校正的理论精度（或固有误差），完成稳相传输系统总体方案设计。

对于高精度的光波相位误差检测，采用偏振分集相干混频方式，克服偏振敏感问题；采用外差混频、差分检测方法，抑制光载波相位和幅度噪声，提高相位检测精度；采用数字相位检测方法，扩展相位检测的范围，实现多个2π范围的相位检测。

对于快速、高精度、大线性范围毫米波相位的控制，重点研究光波相位与毫米波相位的互相转换机理和光波相位的控制机制。

采用改变两光载波之间相位差实现毫米波的相位控制，并在解决光锁相的偏振正交光载波生成方法基础上，研制出频率范围30G~300G、线性移相范围360o，移相速度小于1ns、移相误差小于±2o的毫米波光子移相器。

采用基于半导体光放大器（SOA）四波混频（FWM）效应的非线性混频方法实现毫米波鉴相。

将研究FWM效率与SOA交叉增益调制（XGM）之间的物理关联性，提出基于XGM控制的提升非线性混频效率的思路，实现高效率、高精度的毫米波鉴相。

3.可重构毫米波信号处理

通过对科学问题的研究，获得毫米波信号处理与光频谱结构、光频谱处理策略之间的关系与规律；基于这些成果，构造光载毫米波频谱，并对之实施相应的幅度、相位、延时等处理；最终，实现N个系数可调的N阶无限冲击相应函数，由此解决高Q和可重构难以同时实现的问题。

高Q动态可调可重构滤波器将由三个功能组成：

色散、非线性补偿功能，第一级滤波和第二级滤波。

第一级滤波和第二节滤波的通带中心频差决定了滤波器的最小带宽，最大的自由谱宽决定了滤波器的调谐范围，它们的级联构成高Q动态可调滤波器的主体。

第一级和第二级滤波器将采用高性能的IIR，为进一步提高Q值、扩展滤波器可调谐范围，将研究滤波器自由谱区动态可扩展的原理与方法。

4.面向光子功能集成的全光真延时器件

采用波长变换来实现光域信号的光谱隔离与调谐。

将建立宽带毫米波的全光波长变换理论分析模型，分析波长变换过程中毫米波信号的输入和输出转换关系；为提高波长转换效率，将研制基于微纳结构的高非线性光学介质，构建结构紧凑、高集成度的光谱隔离模块。

对于色散器件，将研究光纤光栅、光子晶体光纤、光学谐振环等器件在30~300GHz频带内作为毫米波延时光子器件的适应性，研究延时抖动、偏振模色散等对延时精度的影响。

将研究均匀光纤光栅、线性/非线性啁啾光栅混合的新结构与器件模式改善延时精度的理论与方法。

现有的基础表明，这种结构具有改善延时精度的可能性。

为此本项目将研究其品质因数、阻带宽度及不同调制格式等多种因素对时延抖动的影响，以及反射带宽、反射率、变迹特性等参数的特性，通过各种参数的联合优化减小时延抖动的影响，以实现高精度、可控性强的毫米波光真延时。

5.光-毫米波信号大动态范围转换

光-毫米波信号大动态范围转换涉及到的关键器件为低半波电压的调制器和大饱和功率的光电探测器。

本项目将结合长期高速光电子器件的研究基础，通过创新材料设计、器件结构机理、制作工艺和封装实现，对这两种器件进行研制，并对器件进行大动态范围提升的应用理论与技术研究：

上变频过程的难点在于不仅要抑制非线性失真，而且要保证转换效率和信号的传输性能和转换效率。

本课题拟采用基于双平衡MZ调制器的上变频结构，在振幅匹配的条件下，通过优化驱动条件和参数配置控制交调干扰的相位，抵消信号的高阶（尤其是三阶）交调干扰；针对交叉调制失真，拟采用信道化技术进行预失真处理或后补偿处理的方法，通过提取链路信息不断修正，实现对交叉调制失真的有效抑制。

在下变频方面：

拟采用零差相干检测方式对信号进行低噪声放大，提高接收机灵敏度，并实现光毫米波信号直接下变频到基带信号。

研究提高相干检测光毫米波链路性能的机理和方法，发展光毫米波体制下的相干检测器件及关键单元技术，包括：

高稳定性相干光源、平衡接收、偏振分集和相位分集等。

噪声压缩机制与方法方面：

将根据噪声统计理论，研究噪声在光毫米波链路中的演化规律，为噪声压缩提供指导。

散弹噪声和相对光强度噪声是噪声压缩的重点，拟在接收端采用双输出MZM平衡探测器，通过差模输出抑制共模噪声。

6.低噪声宽调谐毫米波器

毫米波光电混合振荡器（OEO）由高功率锁模激光器做为光源，激光器输出的飞秒脉冲信号经过光纤环路时延，以获得产生低噪声高质量信号所需的高品质因数（Q值），光电探测器将脉冲光信号转变为电信号而后进入滤波、放大，最后反馈给激光器内部的锁模调制器件。

在此过程中会存在不同频率的噪声扰动，循环经过射频滤波器选出希望起振的频率，并用来反馈调制激光器。

环路中的射频放大器提供增益补偿毫米波信号环路损耗。

解决在高频偏和低频偏范围内同时降低相位噪声与宽调谐、小尺寸要求之间的矛盾，需提高Q值。

本项目的研究思路是利用具有分形特征的谐振腔，由于模式耦合、游标效应（Verniercalipereffect）等的作用，极大地抑制副振荡模式，实现极高的信号纯度，同时还可维持较短的腔长，以利于减小尺寸和提高稳定性。

还将研究利用电注入锁定或光电互注入锁定的OEO结构进一步抑制相位噪声，实现30~300GHz宽调谐。

为进一步降低毫米波光电振荡器的噪声，需要抑制激光器的相对强度噪声、射频放大器噪声和环境噪声等。

本项目将采用以铒镱共掺的磷酸盐玻璃为增益介质的线型腔飞秒激光器，可实现大功率、窄线宽（10Hz以下）的光频梳，经过光电检测器（PD）进行拍频即可得到频率为光频梳频率间隔的毫米波信号。

大功率光输出可以降低光纤链路的损耗。

同时引入强度噪声和相位噪声抑制技术，使此激光器实现接近散弹噪声极限的性能。

另外利用光频梳稳频技术实现激光器长期稳定性。

对于影响OEO相位噪声的其它因素如光纤环路时延、微波放大器噪声系数、环境温度/振动因素等，我们将建立系统理论模型，研究降低其影响的方法。

综合上述关于噪声的研究思路，实现逼近量子噪声极限的OEO毫米波信号输出。

OEO的宽调谐能力将通过调节飞秒激光器的腔长来实现输出光梳频率间隔的改变，同时结合光学选模原理实现。

采用线性腔结构的飞秒激光器所产生光频梳信号的频率间隔是由激光器的有效腔长所决定，控制腔长可实现毫米波信号的小范围连续调谐；对光频梳信号进行模式选择后进入PD拍频，可实现毫米波信号的大范围离散调谐；综合腔长控制与模式选择可实现毫米波信号的大范围连续调谐。

7.试验平台

利用本立项所获得的理论成果和实验成果，辅以已有的研究基础条件，选择对雷达或空天探测具有重要应用意义的频段，构建毫米波接收前端子系统演示平台。

其主要技术指标如下：

频段：

W频段（75-100GHz）；

信号带宽：

10GHz；

无失真动态范围：

120dB/Hz-2/3；

光纤传输：

20km；

（三）可行性分析

（1）本项目方案建立在项目组已有理论成果、关键技术突破的基础上。

这些突破是本立项方案原理可行的基础与保障。

毫米波光频谱处理理论是微波光子学复杂信号产生、预处理等方面的关键科学问题，项目组在这方面已取得突破，主要成果包括：

[1]发展出对光载毫米波频谱进行处理、进而实现对毫米波信号进行处理的思想与方法，证明了对光频谱振幅、相位进行处理可实现如下的功能：

毫米波矢量信号的产生，MZ调制器非线性的抑制，光纤色散的补偿，宽频段无线信号的全光复用、解调。

[2]揭示了光载毫米波频谱非对称性对毫米波信号质量的影响在于多径干扰对其幅度、相位抖动的放大。

[3]揭示了光谱形状优化对光子色散系统提高毫米波信噪比的重要性。

在相位稳定传输方面，项目组提出了基于光电锁相技术的微波信号相位稳定光纤传输，实现了10GHz信号、传输后抖动小于1ps的50公里稳相传输。

在毫米波真延时方面，项目组研制出了4路5比特基于宽谱光源与光子晶体光纤的OBFN样机，延时范围0-1.5ns，工作频率从9.25到10.25GHz，各路传输线的微波信号幅值偏差不大于0.5dB，无失真动态范围高达105dB/Hz-2/3；

在下变频方面，实现了基于平衡混频式偏振分集的相干光混频技术。

（2）项目组所拥有的人才梯队与科研条件为本项目完成提供了研究环境与人员保障

项目的参与单位为清华大学“清华信息科学与技术国家实验室（筹）”、北京大学“区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室”、北京邮电大学“光通信和光波技术国家重点实验室（筹）”、上海交通大学“区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室”、北京航空航天大学“国家航空实验室（筹）”。

这些科研单位都是国内长期从事光电子、微波以及微波光子学研究的科研基地，有着深厚的科研基础积累与技术力量储备。

难得可贵的是，这些科研基地有着长期的合作历史，各基地在通力合作中展现的相互促进、彼此支持的高尚风范为项目的顺利实施创造了和谐氛围。

该项目的科研团队拥有微波、光电子两大领域高水平的学术带头人与科技骨干力量，背景包括军事通信、卫星遥感、宽带光纤通信网、集成光子器件，科研力量强大，人才梯队结构合理。

而且该团队思想活跃，业绩突出，在基础理论研究、关键技术的攻关与项目组织管理方面都拥有丰富的成功经验。

这一雄厚的科研条件与人才队伍，为项目的创新与顺利实施在人才力量上做好了准备。

（3）项目组前期从事的基础研究活动、项目实施、论文发表等经验积累为项目完成提供了经验与物质基础。

本项目的研究有前期研究工作基础和积累，拥有大量基础支持本项目的研究。

以下为部分代表性的发表（录用）在国内外期刊上的以及被顶级国际会议录用的论文。

（1）毫米波的全光产生

1.PeimingShi,SongYu（喻松）,ZekunLi,YaojunQiao,WanyiGu（顾畹仪）,Afrequencysextuplingschemeforhigh-qualityopticalmillimeter-wavesignalgenerationwithoutopticalfilter,OpticalFiberTechnology,Revisedandaccepted.

2.YingZhao,XiaopingZheng,HanyiZhang,andBingkunZhou,“UWB-over-FiberTransmissionSystemUsingaDual-outputMach-ZehnderModulator”,ChineseOpticsLetters,8（5）:

454-456,2010.

3.PeimingShi,SongYu（喻松）,ZekunLi,JienSong,JingShen,YaojunQiao,WanyiGu（顾畹仪）,Anovelfrequencysextuplingschemeforopticalmm-wavegenerationutilizinganintegrateddual-parallelMach-Zehndermodulator,OpticsCommunications,283（19）:

3667-3672,2010

4.ZhaoYing,ZhengXiaoping,WenHe,ZhangHanyi,Simplifiedopticalmillimeter-wavegenerationconfigurationbyfrequencyquadruplingusingtwocascadedMach-Zehndermodulators,OpticsLetters,34（21）:

3250-3252,2009

5.ZhaoYing,ZhengXiaoping,WenHe,ZhangHanyi,Opticalmillimeter-wavesignalgenerationbyfrequencyquadruplingusing