光学微腔在微波光子雷达系统中的应用

2021-06-03

雷达科学与技术 2021年2期

(1.北京邮电大学信息光子与光通信国家重点实验室，北京 100876;2.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876)

0 引言

微波光子雷达充分利用光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，可以突破传统雷达系统中固有的“电子瓶颈”，能够实现宽带信号的产生、控制和处理。目前，微波光子雷达系统多由分离电光/光电器件构建，重量体积较大、成本高且系统稳定性较差。随着集成微波光子技术的发展[1]，集成化成为微波光子雷达的重要发展趋势。

回音壁光学微腔是具有极低损耗的集成光学核心元件，其品质因子可高达1011，既能够在光域实现kHz量级滤波[2]，还可以在mW量级泵浦功率条件下生成宽带高重频克尔光频梳[3]。此外，克尔光频梳之间相位关系通过一定方式锁定可以进一步实现相干光学频率梳[4]，上述独特的光学特性使得回音壁光学微腔在集成微波光子雷达系统中具有广阔的应用前景。

本文将从回音壁光学微腔的线性和非线性特性角度出发，分别介绍了回音壁光学微腔在微波光子雷达系统中滤波、本振信号产生、信道化接收和波束形成功能模块中的应用，分析了回音壁光学微腔在集成微波光子雷达系统中的关键效用和突出优势，并且对回音壁光学微腔在未来雷达系统中的应用发展前景作出展望。

1 微波光子滤波

微波滤波器是雷达系统中的核心器件，随着雷达信号形式与参数的日益复杂，传统的电滤波器受限于电子电路带宽瓶颈，无法满足雷达滤波系统在工作带宽、品质因子、可调谐性能、可重构性能、抗电磁干扰等方面的需求，微波光子滤波器应运而生[5-7]。

其中最常用的两种方案分别是在微波光子链路中使用光滤波器实现射频滤波[8-10]和利用光频梳结合色散介质实现的多抽头FIR滤波[11-15]。但是传统的光滤波器往往面临频率分辨率不足、调谐范围较小、调谐速度较慢等问题；而FIR滤波器中的光频梳通常是通过分离的多波长激光器[11]、锁模激光器[12]或是级联调制器[13]实现，不仅稳定性较差，而且体积庞大价格昂贵。基于高品质因子回音壁光学微腔[16]的微波光子滤波器的应用有效解决了上述难题。

1.1 微腔线性滤波

基于微腔线性滤波特性的微波光子滤波器通常是在微波光子链路中使用单个或多个平面结构微环结构实现的[17-18]。传统的硅基微环Q值在105左右，通常使用温度控制[19]的方法进行调谐，可以在任意微波频段实现频率无关的滤波特性。然而对于某些窄带滤波需求，传统硅基微环仍难以提供足够高的微波Q值，Q值为105的微环在X波段对应的微波Q值低于10。另一方面，热调谐虽然能获得较大的调谐范围，但是调谐精度不足且调谐速度较慢。因此难以满足现代雷达滤波系统的高频率分辨率和调谐精度的需求。

为提升微波光子滤波器的Q值并改善其调谐性能，可使用具有超低损耗的电光材料。铌酸锂和钽酸锂晶体可用于制作Q值高于2×108的回音壁光学微腔[2]，实现带宽低至10 MHz的窄带滤波[20]，利用电光效应可在10 GHz范围内实现40 MHz/V的高精度线性调谐，调谐速度可达ns量级，且插入损耗低于5 dB。单个微腔的滤波特性为洛伦兹型，为了提供更加平坦的通带和陡峭的过渡带，可以使用级联微腔的方式实现高阶巴特沃斯滤波[21]，如图1所示。其带宽可低至10 MHz，同时具有高精度电光调谐性能。由于微腔体积极小，更高阶的微波光子滤波器也可支持小型化的集成封装。

图1 光学微腔微波光子滤波器及其频率响应

可见，铌酸锂和钽酸锂微腔具有超高的品质因子和电光系数，可实现宽带、低损耗、可快速高精度调谐的窄带滤波，非常适用于未来集成微波光子雷达滤波系统。在微腔滤波系统中，温度波动会引起微腔材料折射率的变化，进而导致滤波中心频率的漂移，影响滤波性能。因此，在集成封装系统中需要进行高精度的温度控制，以保证滤波系统的工作稳定性。

1.2 克尔光频梳FIR滤波

实现多抽头FIR结构微波光子滤波器的核心是光频梳的生成。传统的光频梳生成方案包括锁模激光器[3,12]和级联调制器[13]，其中锁模激光器光频梳的重频通常低于1 GHz,而级联调制器方案虽然重频可控，但体积庞大、价格昂贵。

高品质因子的光学微腔由于具有极高的场增强效应，可以在极低的阈值下激发各种非线性光学效应[22]。2007年，Del’Haye等[23]首次在二氧化硅的微芯环腔中产生了宽带的克尔光频梳并证明其梳齿严格等距。不同于传统的光频梳产生方案，基于微腔的克尔光频梳结构简单、可集成、重频可高达THz量级，是实现可集成光频梳的理想方案，如图2所示。

图2 微腔克尔光频梳原理示意图

通过泵浦微腔产生宽带克尔光频梳，并以光纤作为色散介质引入步进延时，通过控制光频梳的幅度值，即可实现可调谐可重构的微波光子滤波器[24-25]。受限于可编程光滤波器的带宽，微波光子滤波器的可控抽头数通常在20个左右。通过增加微腔尺寸来产生具有更低重复频率的克尔光频梳,可提升抽头数量。例如使用重频为49 GHz的克尔光频梳，可将抽头数扩充到80个[26]，这极大地提升了微波光子滤波器的Q值以及调谐和重构的精度，通过数控可编程光滤波器改变抽头的权重可以任意改变滤波形状，实现了中心频率1.4～11.5 GHz的调谐和3 dB带宽0.5～4.6 GHz的重构，如图3所示。

图3 基于克尔光频梳的FIR滤波器

1.3 带宽缩放滤波

在使用光滤波器实现微波光子滤波时，由于光滤波器的频率分辨率不足，可利用光频梳将宽带射频信号在光域进行多播，并利用重频差与光频梳重频略有区别的梳状滤波器对射频频谱进行分割，将频率分辨率提升至重频差量级，从而实现了MHz级的可编程微波光子滤波[27]。光学微腔既可用于产生宽带克尔光频梳，又可用于实现窄带的梳状滤波，从而替代级联调制器和法布里珀罗梳状滤波器，实现更加低功耗可集成的微波光子滤波[28]，如图4所示。通过控制光频梳的梳齿功率，可以对微波光子滤波器进行灵活的调谐和重构，分辨率可达百MHz量级。

图4 基于微腔的带宽变换微波光子滤波器

在进行带宽变换滤波时，光学微腔的色散效应会导致微腔梳状滤波在频域上是非等距的，这会引起滤波性能的恶化。通过合理设计光学微腔的几何截面，可在宽带范围内使微腔的波导色散和材料色散相互抵消以获得零色散。随着微纳加工工艺的不断发展，对光学微腔色散参量的控制已经较为精确[29]

2 低相噪光生微波信号

在雷达系统中，为实现高灵敏度回波信号的接收和处理，需要尽可能降低本振信号的相位噪声，避免弱信号被噪声淹没。传统的电振荡器的相位噪声随着频率的升高显著恶化[30]，无法满足先进高灵敏度雷达系统对高频载波的需求，光生微波[31-35]成为解决这一问题的最佳方案之一。光电振荡器(OEO)是其中最广为研究的技术之一[36],美国OEwaves公司利用16 km的长光纤作为储能介质实现了相位噪声低至-163 dBc@6 kHz的10 GHz本振信号[37]。然而，光电振荡器的不足之处在于长光纤引入了较大的体积与重量且导致了密集的杂散信号，这既不利于微波光子雷达的集成化，还会提升系统的虚预警率。

具有超高品质因子的晶体微腔可替代长光纤作为储能介质构成微型光电振荡器，本身还可作为振荡器直接产生超低相噪无杂散的微波信号，为未来微波光子雷达本振提供了解决方案。

2.1 微型光电振荡器

微型光电振荡器(μOEO)架构主要分为两种，文献[38]使用品质因子高于108的钽酸锂晶体微腔作为储能介质的同时充当光滤波器进行微波光子滤波，仅使用220 m的光纤即可获得-100 dBc/Hz@10 kHz的相位噪声，基于钽酸锂晶体的电光特性，在2～15 GHz的范围内实现了1 GHz/μs的高速高精度调谐，如图5(a)所示；文献[39]直接使用品质因子高达5.7×108的钽酸锂微腔进行调制和储能，同样获得了-100 dBc/Hz@10 kHz的相位噪声，通过控制微腔的偏置电压，在X波段4 GHz范围内实现了1 GHz/μs的高速高精度调谐，如图5(b)所示。

(a)基于光学微腔和短光纤的μOEO和相位噪声特性

值得一提的是，图5(b)架构的微型光电振荡器无须使用额外的光纤进行储能，可实现极为紧凑的微型微波振荡器，如图6(a)所示。目前，微型光电振荡器(μOEO)的相位噪声相较于图6(b)所示紧凑型光电振荡器(COEO)仍有近30 dB的差距，这是由于μOEO中光学微腔的储能时间短于COEO中使用的光纤，且μOEO中集成化的光电子器件噪声性能较差。μOEO的优势在于其无须使用光纤介质和电滤波器，体积可集成到硬币大小，且重量极轻，因此具有良好的稳定性和抗震性能，非常适合作为高速机载、弹载雷达的本振源，而且光学微腔同时作为储能和滤波介质，不需要使用复杂的杂散抑制技术，解决了传统光电振荡器中的杂散问题，降低了虚警率。为了降低μOEO的相位噪声，需要进一步提升光学微腔的品质因子，品质因子为108的光学微腔储能效果可以等效于近百米的光纤。可以预见，使用具有更高品质因子的光学微腔，可以得到接近传统光电振荡器的相位噪声性能。

(a)微型光电振荡器(μOEO)

2.2 微腔克尔频梳分频

目前，具有最低相位噪声的微波信号是通过锁模激光器光分频产生的，12 GHz微波信号的相位噪声可低至-173 dBc/Hz[35]。然而，该系统需要进行极其精密的反馈控制，使其应用场景受限。微腔克尔光频梳的发现使微型的光分频系统成为可能[4,40]。通过光电探测器对微腔克尔频梳进行分频，即可获得频率与微腔重频相同的低相噪微波信号。文献[41]利用回音壁光学微腔产生的宽带克尔光频梳，通过分频的方式产生了相位噪声为-120 kHz@ 1 kHz的9.9 GHz信号，如图7(a)所示。为了进一步提升微腔振荡器的频率稳定性，文献[42]利用铷泡对光频梳进行了锁定，在紧凑的体积内实现了高稳定的微波信号输出，在1～1 000 s的积分时间内阿伦偏差在10-11数量级，如图7(b)所示。

(a)基于克尔光频梳分频的微波振荡器示意图和相位噪声特性

此外，文献[43]还证明了对微腔光频梳进行注入锁定可以进一步降低注入信号的相位噪声，从而获得了-130 dBc/Hz@10 kHz的相位噪声性能。文献[44]利用微腔光频梳为媒介，将超稳激光器的频率稳定性通过分频的方式传递到了任意微波频率，相位噪声可低至-135 dBc/Hz@10 kHz，如图7(c)所示。特别地，文献[45-46]利用超高品质因子二氧化硅微腔中的布里渊散射效应实现了微波振荡，由于布里渊散射带宽极窄，分频下来的本振信号同样具备较低的相位噪声，也是非常具有应用前景的光生微波技术。

基于克尔光分频的光生微波技术仍存在光梳转化效率较低的问题，光电探测器输出的微波信号仍需进一步放大才可使用，这会导致相位噪声的恶化。为解决这一问题，可借鉴阻抗匹配的思路，使用双微腔耦合的结构来进一步提升光频梳的转换效率,文献[47]已证明双微腔耦合结构理想情况下可获得近100%的功率转化效率，为高效的微腔光生微波技术提供了可能性。此外，锁模克尔光梳的生成通常需要较为复杂的激光调谐和稳定技术，增加了系统复杂度，为解决这一问题，文献[48]使用光注入锁定技术实现了锁模克尔光梳的开机即用，并实现了高度集成化，极大地推动了微腔光生微波技术的发展。

3 光子辅助信道化接收

微波光子信道化充分利用了光子技术大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，可在光域将宽带射频信号进行频谱划分，下变频到多个信道进行并行的基带或中频处理，使雷达接收机可以对宽带捷变信号进行实时高精度探测[49]。

其中基于光学频率梳多播的微波光子信道化方案被广为研究[50-51]。在这些方案中，光学频率梳多采用分离的多波长激光器、宽带光源的光谱切割或级联调制的方式实现，分立器件的使用不仅增加了系统的体积、功耗和价格，更难以实现集成化。高品质因子的光学微腔不仅支持集成化的宽带光频梳产生，而且具有极高的精细度，可以同时参与信道划分，将成为集成微波光子信道化接收机的核心器件。下面将从频谱切割和双光梳相干接收两方面介绍微腔在微波光子信道化系统中的应用。

3.1 基于微腔频谱切割

在基于频谱切割的信道化接收机中，高品质因子的光学微腔既可以产生高重频的光频梳，又可以作为梳状滤波器实现频谱切割。文献[52]中利用200 GHz重频的二氧化硅微环作为有源腔产生宽带光频梳参与信号多播，利用49 GHz重频的微环作为无源腔实现梳状的频谱切割，实现了紧凑的信道化接收机，如图8所示。在C波段实现了20个信道，1.04 GHz分辨率的信号接收。可以预见，随着微纳加工技术的发展，集成光学微腔的品质因子可以提升一个数量级，获得更加精细的滤波特性，配合更大带宽的光学放大及整形器件，可以进一步提升信道数量并将频率分辨率提升至MHz量级。

图8 基于有源无源微腔的频谱切割型微波光子信道化接收机架构

3.2 基于微腔双相干光梳

基于频谱切割的信道化接收方案对滤波器的性能有较高的要求，由于多播造成的功率损失会导致接收信号被噪声淹没，而且接收过程还会丢失信号的相位信息。因此可基于使用双相干光频梳进行信道化接收[51,53-54]，利用重频有微小差异的两个相干光学频率梳，其中一个作为信号光频梳，用于在光域进行宽带信号的多播；另一个作为本振光频梳，用于进行多通道相干光接收，将不同频谱分量下的信号下变频至基带或中频，使用低速ADC进行并行处理，精细滤波可在数字域完成，可以极大地提升信道化系统的灵敏度和频率分辨率。

采用传统的级联电光调制方案产生双光频梳，分离器件的数量将增加一倍，这会导致系统体积重量功耗大幅上升，系统的稳定性难以保证。采用微腔产生克尔双光梳是解决这一问题的最佳方案之一。基于微腔的光频梳作为最具集成化潜力的超宽带频梳光源，已成功应用于双梳光谱学[55]、高速相干光通信[56]、激光测距[57-58]、计量学[59]等领域。基于微腔的相干双光梳可以通过使用两个互相锁定连续光激光器对直径略有不同的光学微腔进行泵浦获得[58]，也可以通过单一连续激光器泵浦两个微腔获得[60]。值得一提的是，文献[57]证明利用单一连续光激光器以不同方向泵浦同一激光器，可直接获得重频具有微小差异的双相干光学频率梳，非常适合微波光子信道化系统的集成。结合这些方案，微波光子信道化系统的架构如图9所示。

(c)基于单个微腔的正反向双光梳

4 光控波束形成

随着未来雷达系统对宽带信号处理能力的需求，基于相移法的波束形成技术将造成严重的波束倾斜效应[61]。因此，实现真延时的波束形成尤为重要。微波光子真延时通过将微波信号调制到光载波上，通过低损耗光学介质的群延时实现微波信号的真延时[62]。其中最常见的方式是使用多波长光源结合光波导的群速色散实现步进延时[63]，这种方式避免了多路延时介质的使用，简化了系统结构。为了获得更小的波束宽度从而提升波束的角分辨率，需要尽量增加辐射单元即光频梳的梳齿个数，此时使用分离的激光光源[64]或级联调制的方式[13]不仅无法获得足够多的信道数，还会严重增加系统的复杂度。

高品质因子微腔的使用则解决了上述问题，通过连续光泵浦的方式，可实现超宽带的克尔光学频率梳[3]，为相控阵系统提供足够多的通道数。文献[25]利用重频200 GHz的克尔光频梳在C波段实现了21通道的真延时相控阵天线，在X波段实现了最低5°的3 dB波束宽度以及123.2°的波束扫描范围，并在文献[65]中利用重频为49 GHz的克尔光频梳极大提升了系统的性能，在X波段实现了1.2°的3 dB波束宽度以及142.7°的波束扫描范围，如图10所示。

(a)基于微腔的真延时相控阵天线架构

5 展望

回音壁光学微腔已经通过多种材料制备实现,并且氮化硅、氧化硅、铌酸锂等材料微腔可以支持大规模单片集成。因此，回音壁光学微腔在微波光子雷达系统中的应用具有广阔的发展空间：

1)在微波光子滤波和信道化接收方面，受限于光放大器和频谱整形器件带宽，微腔光频梳可提供的抽头数和信道数无法被充分利用，拉曼放大器等宽谱光学器件有助于进一步提升微波光子滤波和信道化接收性能。

2)在本振信号产生方面，随着探测器带宽性能不断提升，太赫兹重频克尔频梳可以通过拍频方式实现低相噪太赫兹信号产生，在太赫兹雷达系统中具有很好的应用前景。

3)在光控波束形成方面，更低重频微腔光频梳(例如采用超高品质因子的毫米尺度晶体微腔)有助于实现更窄波束宽度、更宽波束扫描范围和更高扫描精度。随着微纳加工技术的不断发展，集成式回音壁光学微腔的品质因子能够提升一个数量级，可以获得与晶体光学微腔相媲美的光学性能。

4)除了传统微波光子雷达领域，微腔克尔频梳时域表现为高速飞秒光脉冲，可以应用于超高速激光测距雷达中，在自动驾驶、无人导航、智能制造等领域都具有广泛的应用前景。

5)作为集成微波光子系统中的核心元件，光学微腔发展迅速，其加工制备工艺已较为完善，物理机理也得到了较为深入的研究。但受限于其他集成微波光子器件的性能指标，目前基于微腔的微波光子雷达系统中仍需要使用较多的分立器件，例如激光光源、调制器、探测器、光纤器件和频谱控制器件等。为了最终实现集成化的微波光子雷达系统，仍需要进一步研究发展高性能的集成光源、探测器以及各种宽带光信号处理器件。