微波光电子技术的概念与应用

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引言
+ i& e6 o" t% Y; h) W微波光电子技术结合了光学和射频技术，用于提升雷达、电子战和通信系统的性能。本文探讨微波光电子系统的基本概念和关键应用[1]。

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: H: l$ D2 |* J1 f7 E射频信号的光电子生成技术
传统的高频射频信号生成依赖多级电子上变频，每一级都会引入相位和幅度噪声。光电子方法通过光外差技术提供了更优的性能，即在光电探测器中探测两个激光信号来产生射频信号。生成信号的频率等于两个激光器之间的失谐度。

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; p- C5 N( J. T, i图1对比了传统射频信号生成方案与基于光电子技术的方案，展示了通过锁相激光器外差如何实现更纯净的信号生成。
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* e# ]7 \* p4 z0 }- c生成锁相激光的一种有效方法是对主激光器进行射频调制。通过利用光调制器的非线性特性，可以产生更高阶的光边模，从而在射频振荡器频率的倍频处产生射频信号。这种技术可以扩展到产生光频梳，光频梳由多个等间隔且相位锁定的激光谱线组成。
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图2展示了在10 dB范围内产生超过80条激光线，频率间隔为1 GHz的光频梳。

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0 j& u4 ]) R4 q$ X) x( d2 u* M光电子射频探测系统
现代雷达和电子战系统需要越来越宽的带宽探测能力。传统电子方法在高频下的采样率和信噪比都面临限制。光电子探测通过多种架构提供了解决方案。

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$ V* s! W/ K3 X! a图3展示了不同的光电子射频探测方案，包括传统下变频、基于光电子技术的下变频、光学欠采样和时间解复用的光学采样。

- d( m3 C: _! e# K2 B" v% U光电子探测技术主要分为：

使用外差的直接光电子下变频

使用锁模激光器的光学采样

用于增强数字化的时间拉伸处理
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" M4 d  P- _$ F) t$ N; o2 g光信号分配和处理
5 r. |. l7 |3 l: S7 h' w4 P$ W8 L光电子系统的主要优势之一是能够通过光纤进行长距离射频信号传输。这种射频光纤技术具有低损耗（光纤0.2 dB/km，而射频波导为数dB/m）和电磁干扰免疫性。

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图4展示了使用直接调制和外部调制方案的两种基本射频光纤实现方式。
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( v* O, G6 B& j; f3 i2 |2 I( M射频应用的光学滤波
光电子实现方式可以实现高选择性和可调谐的射频信号滤波。已开发了多种架构：

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- ]" Q6 K. T1 |# ~/ K! [+ ]8 Z图5描述了使用光学滤波技术处理射频信号的基本微波光电子滤波器方案。
8 x. B* m( T. R) d3 U. R
* R) ~2 ], D. c+ @# w: H2 t先进的滤波技术利用微环谐振器和其他干涉结构来实现精确的频率选择性。

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图6展示了全通和分插复用滤波应用的微环谐振器配置。

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波束形成应用
光电子系统通过相移和真时延方法实现相控阵天线的先进波束形成能力。

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5 M/ K- W9 L+ ]8 G6 a图7演示了使用解交织和波长特定相移器的光学相移技术。

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; y0 O/ Y4 |5 r图8展示了使用路径切换和群延迟合成方法实现光学真时延的方案。

6 N: S. m3 ]( B+ n! |6 b( m6
& o  c: e1 l& w5 ]集成与发展趋势
微波光电子系统的未来在于使用各种材料平台的光电子集成芯片，包括硅、III-V族化合物和玻璃。主要挑战包括开发：
0 h# t- M4 s6 D. Q高品质可调谐光学滤波器
$ \5 Q) q& }2 \  M用于电光转换的线性调制器
8 O$ h9 c9 ]5 h% C; w8 ?5 K' G/ u高性能光电探测器
- T* q9 c6 H, u. U6 z& S5 i结合不同技术平台的混合集成方法

* t4 V1 F9 N+ U0 m硅基光电子技术的最新进展已实现带宽为数千兆赫兹且抑制比超过40 dB的滤波器。基于磷化铟技术的调制器已实现峰峰值驱动电压低至1V，而单向行波载流子等专用光电探测器提供了增强的功率处理能力。

$ P: _9 P2 N  P# [" E, Q在保持性能的同时将这些不同器件集成到完整系统中仍然是研究和开发的活跃领域。通过混合集成组合多个技术平台似乎是实现完整微波光电子系统最有效的方法。
& a9 Z! K! g$ u! E( ?8 ^  X4 r2 I: ~
6 H4 O. D( p7 D8 u, R+ y7 \该领域不断发展，在软件定义雷达、宽带电子战系统和先进通信等领域不断涌现新的应用。光电子技术提供的独特能力 - 包括宽带宽、低噪声和精确控制 - 使其在下一代射频系统中的应用价值不断提升。

9 S0 x/ y: ~( E  r9 m, C+ k5 ^参考文献
8 W$ N  W# T. F: n3 M/ d# b* G[1] Bogoni, P. Ghelfi, and F. Laghezza, Eds., Photonics for Radar Networks and Electronic Warfare Systems (Radar, Sonar and Navigation). London, UK: Scitech Publishing, 2019.
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