| 单词 | 光波和微波的相互作用 |
| 释义 | 【光波和微波的相互作用】 拼译：light wave and microwave interaction 自20世纪70年代以来，由于半导体激光器、集成光学、纤维光学和微波单片集成电路(MMIC)的发展，以及两者在半导体材料和工艺方面的兼容性，使得原来各自平行发展的光波和微波两门学科开始紧密结合，形成了新兴的光波和微波互作用的交叉学科，今后的发展趋势是两者将密不可分地融合为统一体。光波和微波互作用包括光对微波信号的产生、放大与变换的控制作用，以及微波对光的传输、折射、偏振及信号传递的控制作用两个方面。前者主要利用光对微波半导体器件有源层中载流子浓度与运动的激发与控制；后者则利用导光媒质的极化与载流子分布受微波场控变而导致光导率、折射与偏振特性的改变。 目前该学科所涉及的范畴为：光载微波信号对微波半导体器件或功能组件的控制技术，包括微波振荡器的光控注入锁定技术，空间多路混频的本振馈电技术。这时，光是作为微波信号的载体，其实质仍是一个微波(参考)信号对另一个微波有源组件的控变作用；光信号对微波半导体器件或组件的直接控制技术，包括光控捷变频微波振荡器、光控微波放大器、光控微波移相器与衰减器、光控高速微波开关以及图像(光)信号对微波发射源的直接调制技术等；微波场对光的控变作用，包括微波信号对激光源的调制技术、MMIC内部场结构、电路性能及端接阻抗的探测技术等；微波、毫米波信号的光致产生技术，包括重复频率为微波频率的高峰值、无抖动、时间可控的毫微秒脉冲与连续信号的产生及其应用(开关与门电路、采样、A／D变换等)，具有特殊波形的微波毫微秒脉冲串的产生。用脉冲激光产生纳秒电脉冲，激励微波谐振腔产生微波、毫米波信号。用飞秒(10－15s)激光脉冲在半导体或晶体上激励出太赫(THz=1012Hz)频谱的电磁脉冲。微波信号的光控技术与电控技术相比的优点有：控制光源与被控制微波器件间具有接近理想的相互隔离；消除了空间与电路中的电磁干扰与信号串扰；以光纤替代笨重的射频馈电网络，可达到轻量、低成本、低损耗、宽频带、高可靠性；高稳定、无抖动、超快速的光控响应；光控电路轻量、紧凑、可与MMIC兼容和集成，构成光微波单片集成电路(OMMIC)或光电子集成电路(OEIC)。早在1963年，加可白(H．Jacobs)在研究光电导体的迁移特性时采用了光和微波的相互作用。70年代后期，对该学科展开了广泛的研究。开始时，仅利用光纤代替波导或同轴线传输微波信息，但很快发现光除作为微波的载体外，还可对微波信号作光控之用。尤其在微波相控阵中，用光控进行扫描极有吸引力，这就引发了光和微波互作用这一新领域的探索。至今，该学科已成为学术界和工业界的热门课题，在国际学术会议上也被列为讨论的专题，如MTT-S、SPIE、IR和MMW等。1．微波振荡器的光载微波注入锁定技术及光控微波技术。有源相控阵技术，复用接收技术及脉间捷变频技术是未来的通信、雷达、对抗及宇航的关键技术。可以断言，新一代卫星通信和雷达必须用有源相控阵，而有源相控阵的核心是空间配置的各个有源T／R模块间的频率与相位同步问题。而传统的微波馈电网络存在结构庞大、损耗大、模块间信号串扰和空间安装困难等严重缺陷，难以付诸实用。这可用光纤网络来代替，以光为载体将微波(参考)信号对光进行调制，通过光纤网络作注入锁定。这是利用光和微波互作用的最早研究课题。至今已对二端口和三端口半导体结型器件，如IMPATT、BARITT、TED、BJT、FET、HEMT、PMHEMT等构成的微波振荡器的光载微波注入锁定进行了广泛的研究。光载微波的关键是光的微波调制技术，目前对于锁定常用简单的内调制法，其响应速率低于10GHz，但若对激光器作深调制，则由于激光二极管的非线性和被锁定微波半导体器件的非线性，而可利用这些非线性所产生的谐频效应，对被锁定振荡器作分谐波锁定。利用分谐波锁定可大大提高光载微波注入锁定的应用频率。光载微波锁定的另一个问题是微波信号的检取，这可直接利用被锁定振荡器的有源区的光控变来检取，也可经光检波器检取后再作注入锁定。若在MMIC中兼容集成了光载微波注入锁定，就能克服MMIC微波振荡器在制作高Q稳频腔的困难。微波半导体器件对光具有快速的响应能力，其上升时间接近脉冲前沿时间，跌落时间则取决于载流子寿命。若用飞秒激光脉冲构成光控捷变频微波振荡器，即可取代目前使用的复杂而昂贵的频率合成器。至今已研制成光控增益放大器、光控分路收发开关、光控移相器、光控衰减器等光控微波功能组件，这在有源相控阵、复用技术以及与MMIC集成兼容，以构成功能更强的OMMIC都在探索中。美国马利兰大学的李齐湘(Lee ChiH)在皮秒光电子器件方面的研究工作，揭开了超快激光与微波毫米波互作用的新领域。80年代以来，美国IBM Watson研究中心的格列柯夫斯基(D．Grischkowsky)和哥伦比亚大学微电子实验室的张希成(Xi-cheng Zhang)在用飞秒激光脉冲产生皮秒电脉冲(THz电磁辐射)方面进行了一系列的研究工作。2．光的微波调制技术。光的微波调制技术是光－微波互作用的关键技术，可分为内(直接)调制与外(间接)调制。内调制用微波信号对激光二极管工作点控变的直接调制，调制频率受激光二极管响应速率所限，预计极限频率为20～25GHz，调制带宽也不平坦，需附加补偿网络，这是目前内调制技术研究课题之一。外调制是利用晶体(如LiNbO3)的电光效应，据微波调制信号的蚀馈入方式，可分为行波型和谐振型，外调制不受激光器响应速率所限，极限频率可达40GHz。3．微波副载波多路复用(MSCM-Microwave Subcarrier Multiplexed)光纤传输系统。利用微波频率的副载波多路复用可克服时分复用的许多缺点，是多信息传输分配的最佳方案。在MSCM系统中是由每个用户或信道来的信息调制微波频率分开的副载波，再由微波副载波对光载波进行强度调制。故复用是在微波副载波频率内实施，因此可用窄带接收，避免了宽带和高速去复用过程，接收机带宽仅由一个信道的带宽决定，使其性能很好。目前已用于光缆电视、数字信号传输、综合业务网和雷达网中。4．光－微波互作用在MMIC芯片和材料检测中的应用。1987年以来，马利兰大学和斯坦福大学的科学家分别提出了用电光效应和光电导效应，即利用光－微波互作用实现MMIC外特性(S参数等)和内特性的测量方法。这些方法无需芯片测试架，消除了微波网络化法的缺点，且能得到从直流到毫米波的宽带响应，并能对电路的内特性进行直接测量。利用光电脉冲天线的THz瞬态电磁辐射，可对各种电介质和掺杂半导体材料进行超宽带检测。该学科的研究热点为：(1)设计新型器件，使其既具有良好微波性能，又有高效率的光耦合；(2)利用HEMT的新的光控机制，如负光电导率等；(3)运用扫出模(Sweep-out Mode)可产生Ips光电脉冲，为使长寿命载流子半导体产生ps光电脉冲提供可能途径；(4)采用载流子注入或耗尽来改变半导体基片折射率，以便使外调制器与MMIC兼容集成；(5)MSCM向更高频率、更宽频带方向发展；(6)开发光－微波互作用的新机制和各个应用领域。【参考文献】：1 LeeChi H. Pi cosecond optoelectronic Devices , Academic press, 19842 Guggenmous J L, Jhonson R L. Proc SPIE,1987,789:70～ 773 Martellucci S, Chester A N. Plenum,19874 Rainee Simons . Optical control of Microwave Devices,ARTECH House, 19905 IEEE MTT-38,Special Issue on Applications of Lightwave Technology to Microwave Devices , Circuits, and systems,1990,5(上海科技大学李英教授撰) |
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