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1、项目名称： 面向宽带泛在接入的微波光子器件与集面向宽带泛在接入的微波光子器件与集成系统基础研究成系统基础研究首席科学家： 纪越峰纪越峰 北京邮电大学北京邮电大学起止年限：2012.1-2016.82012.1-2016.8依托部门： 教育部教育部一、关键科学问题及研究内容1、关、关键键科学科学问题问题围绕“宽带泛在接入”的国家重大需求，针对所面临的“高频宽带微波与光波相互线性高效的能量转换、基于光子技术的微波信号传输与精细灵活的调控、分布式天线系统中微波光波资源的高效利用与动态管理”三大挑战，本项目凝炼并拟解决以下三个关键科学问题。（ （1）关）关键键科学科学问题问题之一：微波和光波高效之一：
2、微波和光波高效线线性性转换转换与高性能集成器件的形成机理与高性能集成器件的形成机理要实现微波与光波能量的高效线性转换，必须提高微波与光波相互作用的效率。微波与光波的相互作用是通过介质中非线性极化来完成的，两者的相互作用效率与作用系数和光场与电场重叠积分因子的乘积成正比关系。这一关系揭示出相互作用效率涉及二个因素，也是难点所在。其一是作用系数，分析半导体材料内载流子的相互作用过程可以发现，关键在于载流子输运过程的速度、载流子寿命与光子寿命等关键参数必须得到优化来增强效应和提高速度，以满足高性能微波光子器件的要求。其难点在于需要揭示半导体材料、器件结构、能带结构与微波光波能量相互传递的内在关联规律
3、及高效、高速响应的机理。其二是光场与电场重叠积分因子，由于微波和光波的频率相差很大，两者在介质中的介电常数/折射率差别较大，导致两者在介质中的传播速度失配严重，同时微波和光波的模场尺寸也严重失配。在高速条件下相互作用时间短，难以实现高效转换。因此，本项目将这一挑战凝炼为第一个关键科学问题，即微波和光波高效微波和光波高效线线性性转换转换与高性能集成器件的形成机理与高性能集成器件的形成机理。围绕这一科学问题，本项目将深入研究新的光学和电学结构,探索微波光子新材料，提高有源区内相互作用强度与速度，并将电场和光场高效局限在器件有源区，获得电场和光场在空间和时间上的高度交叠，从而提高微波和光波的相互作用
4、效率。通过解决这一科学问题，将为实现微波和光波的高效转换，并形成高性能微波光子集成器件提供坚实的理论基础。（ （2）关）关键键科学科学问题问题之二：非之二：非线线性条件下光域微波信号的超精性条件下光域微波信号的超精细调细调控方法控方法传统数字光信号处理是通过超快光学非线性来实现光开关与光逻辑等数字信号处理功能，而面向微波信号的模拟光信号处理则完全不同，它的本质是将电域上“超宽带微波信号处理问题”转化为“光域上的窄带模拟信号处理问题”。由于光波频率比微波高 3-5 个数量级，光载微波信号的处理实际上是超窄带模拟信号，需要在光域上进行带宽仅为百兆赫兹量级的信道幅度与相位的可调谐控制;另外，模拟信号
5、在实际链路中传输性能对非线性和相位漂移与抖动非常敏感，需要对链路中的光信号进行精细调控，保持高线性度传输。在这种情况下，微波信号的光子处理的关键问题和面临的重大挑战已转换为光子系统的高线性实现和光子信号的精细处理问题。因此，本项目将这一挑战凝炼为第二个关键科学问题，即非非线线性条件下光域性条件下光域微波信号的超精微波信号的超精细调细调控方法控方法。围绕这一科学问题，本项目将深入研究微波光子信号的超精细处理关键单元技术以及非线性传输系统中保持或提高信号线性度的调控解决方案。通过解决这一科学问题，将为在光域进行微波信号处理的系列化器件和系统的设计与优化，以及提高动态传输性能提供坚实的理论基础。（
6、（3）关）关键键科学科学问题问题之三：分布式之三：分布式环环境下微波光波境下微波光波协协同与可重构同与可重构组组网的系网的系统统模型模型为实现具有广泛兼容性和良好可扩展性的宽带泛在接入，感知信息传播环境并以此为依据调配信号频率、幅度、相位和空间分布已成为重要途径，而常规的传统模型仅静态地考虑容量、带宽、信号幅度和噪声四者的关系，难以获得宽带泛在感知网络的容量与能耗均衡极限。因此需要建立以感知环境和协同调配频率、幅度、相位和空间分布为基础的网络模型，从理论上指导网络架构的设计：定义中心站和天线节点的功能，优化网络的拓扑结构，以及均衡微波链路的增益、噪声、动态范围等，采用光子射频频率切换和光子射频
7、幅相控制方法与协议，最终获得尽可能高的网络容量和尽可能低的能量消耗。因此，本项目将这一挑战凝炼为第三个关键科学问题，即分布式分布式环环境下微波境下微波光波光波协协同与可重构同与可重构组组网的系网的系统统模型模型。围绕这一科学问题，本项目将建立基于智能光载无线（I-ROF）的动态系统模型，深入研究复杂拓扑结构中多波长、高功率和光放大器引入下的模拟光纤链路中微波光波协同机制，构建基于光子射频切换技术和光子射频幅相控制技术的动态可重构光无线融合网络，通过解决这一科学问题，将为实现宽带化、泛在化、低功耗动态可重构微波光波融合网络提供坚实的理论基础与技术支撑。2、主要研究内容、主要研究内容围绕上述三个关
8、键科学问题，本项目拟从五个方面开展研究工作，覆盖了微波光波融合系统中的重要组成部分。其中：针对针对关关键键科学科学问题问题一一 设立研究内容一“高频宽带微波与光波相互高效转换机理研究”和研究内容二“微波与光波大功率超宽带高效转换器件研究”，分别从理论分析与器件实现二个角度进行相辅相成的研究；针对针对关关键键科学科学问题问题二二 设立研究内容三“多波段可调谐高精细度微波光子信号处理研究”和研究内容四“非线性链路宽带微波光子信号可调控传输研究”，分别从射频前端与信道传输二个层面开展信号处理与传输研究；针对针对关关键键科学科学问题问题三三 设立研究内容五“分布式动态可重构微波光波融合系统的建模与实验
9、研究”研究系统建模，完成科学实验，验证所提出的新模型、新机制与新方法。（ （1）研究内容）研究内容 1：高：高频宽带频宽带微波与光波相互高效微波与光波相互高效转换转换机理机理为实现微波与光波在高频宽带条件下的高效线性转换，拟开展如下研究工作：研究微波与光波在高频宽带条件下相互作用的机理，分析影响相互作用的各种因素，建立微波与光波之间能量高效、线性、高速转递的理论模型，研究增强微波与光波相互高效转换的新方法和新结构，为研制高性能微波光子集成器件奠定理论基础。同时，积极探索包括超常材料在内的微波光子新材料，研究超常材料增强和调控非线性电光系数的机理；研究在超常材料中嵌入常规非线性材料、利用局域场增
10、强效应以增强有效非线性系数的方法；研究通过调节超常材料的几何结构和排列方式等增强非线性系数的具体途径；研究实现微波和光波具有相近折射率材料的基本原理和材料的制备；研究基于超常材料的微波光子器件，解决微波与光波相互作用时的速度严重失配问题，提高相互作用的有效时间，增强相互作用效率，实现微波和光波的高效转换。（ （2）研究内容）研究内容 2：微波与光波大功率超：微波与光波大功率超宽带宽带高效高效转换转换器件器件针对宽带泛在微波光子接入系统对全波段覆盖的要求，研究实现覆盖 LU波段（160GHz）光载无线的光发射源及相应的大功率光电探测器，研究器件在微波和光波相互作用时载流子输运过程，研究半导体材料
11、和器件结构与微波光波能量转递的内在关联规律及高速线性响应的机制，具体研究以下三个器件：研究半导体激光器有源区电场/光场高效限制结构，研究半导体激光器的带宽扩展与线性补偿方法，实现覆盖 LK 波段（126.5GHz）高线性高效率模拟直调半导体激光器；研究半导体激光器中的外光注入锁定与拍频诱发高频锁模运行产生微波光子载波的机理，研究注入光幅度和相位调制向微波调制转换的机理和技术途径，研究外光注入的参数对输出毫米波的信号质量的影响及选择性调控方法，研究实现模式高相干度的集成结构，实现覆盖 KU 波段（2060GHz）微波光子调制的光发射集成芯片；研究半导体器件能带以及掺杂结构与探测器载流子产生和输运
12、过程的关联关系及增强途径，研究提高光电探测饱和电流的波导结构，并实现覆盖直流到 U 波段高效率、高功率光探测器。（ （3）研究内容）研究内容 3：多波段可：多波段可调谐调谐高精高精细细度微波光子信号度微波光子信号处处理理面向异构的宽带无线接入环境，研究光子域上多波段、可调谐与透明的微波模拟信号处理的系统理论与分析方法，研究前馈结构与精细微波信号处理相结合的多波段微波光前端。研究重点是微波光子模拟信号处理理论，实现多波段、可调谐微波光前端系统和光域频谱压缩的全波段快速感知;研究基于硅基集成的高分辨率、任意幅度与相位特性的有限冲激响应和无限冲激响应的通用光子微波信号处理单元和基于光电振荡的可调谐频
13、率源；研究基于光域频谱压缩的全波段快速感知等。（ （4）研究内容）研究内容 4：非：非线线性性链链路路宽带宽带微波光子信号可微波光子信号可调调控控传输传输综合链路不同效应和关键器件参数，融合发射和接收单元非线性因素，研究实际链路线性度的理论极限与链路关键器件参数关系；以微波光子信号预失真补偿和后处理、正交与非正交多重调制等传输和编码机制为重点，研究高线性度的新型传输或编码机理；研究具有快速精细频谱操控能力的传输体制，以及满足大范围频率可调和（宽带）低信噪比的高线性信号调控与传输机制；研究基于在线性能监测与自适应补偿的链路传输优化方法等。（ （5）研究内容）研究内容 5：分布式：分布式动态动态可
14、重构微波光波融合系可重构微波光波融合系统统的建模与的建模与实验实验 为实现宽带泛在接入，需要对分布式动态可重构微波光波融合系统进行建模和实验验证。本项目将深入分析和评测前述课题中微波光子器件和系统的特性，研究高速高效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的光子学方法；建立分布式动态可重构网络容量与能耗的模型，研究迫近网络容量和能耗均衡极限的实验验证平台方案；研究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；综合分析解决光放大器增益及噪声特性的变化以及高功率多波长环境下非线性效应对网络容量和功耗的影响；
15、研究基于高带宽高效率高线性微波光子器件及相关集成系统的网络设备评测方法，评估微波光子器件和集成系统关键参数对宽带无线业务承载性能的影响等。二、预期目标1、本、本项项目的目的总总体目体目标标 本项目瞄准未来宽带光网络与无线网络发展趋势与融合演进目标,针对国家重大需求与面临的科学问题，在面向“宽带泛在接入”的新型微波光子器件与集成系统的机制、机理、方法、设计与研制等方面取得原创性理论成果和关键技术突破，揭示微波和光波高效线性转换与高性能集成器件的形成机理，掌握基于光子技术的微波信号传输与精细灵活的调控方法，构建分布式环境下微波光波协同与可重构组网的系统模型，自主研制核心微波光子转换器件与信息处理模
16、块，实现新一代“智能光载无线（I-RoF）”的系统原型与“宽带泛在接入”示范演示。在服务于国家重大需求的同时，带动高水平研究基地和研究队伍的建设，为推动我国在该领域的创新发展和提升国际影响力做出贡献。2、五年、五年预预期目期目标标通过五年的深入研究，围绕三个科学问题，完成相关的核心机理、关键器件、系统原型等方面的研究任务，并预期取得以下重要进展与成果，整体水平达到与国际先进水平同步。（ （1）在微波光子学基）在微波光子学基础础理理论论研究方面取得突破研究方面取得突破：建立非线性介质中微波与光波之间宽带、高效、线性、能量传递的理论模型，揭示非线性介质材料中高频宽带微波与光波信号之间的线性高效能量转换与调控机理。（ （2）在核心器件的）在核心器件的设计设计与研制方面取得突破与研制方面取得突破：提出具有自主知识产权的集成芯片完整设计方法。研制出能满足未来光纤网络与无线网络融合传输需求、具有创新性和应用前景的超宽带、低功耗、集成化微波光子原型器件（模块），覆盖LU 波段（160GHz），为新一代微波光子系统提供器件支持。主要包括三个核心器件：LK 波段(
