光學微腔在微波光子雷達系統中的應用

(1.北京郵電大學信息光子與光通信國家重點實驗室，北京 100876;2.北京郵電大學電子工程學院，北京 100876)

0 引言

微波光子雷達充分利用光子技術的大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優勢，可以突破傳統雷達系統中固有的“電子瓶頸”，能夠實現寬帶信號的產生、控制和處理。目前，微波光子雷達系統多由分離電光/光電器件構建，重量體積較大、成本高且系統穩定性較差。隨著集成微波光子技術的發展[1]，集成化成為微波光子雷達的重要發展趨勢。

回音壁光學微腔是具有極低損耗的集成光學核心元件，其品質因子可高達1011，既能夠在光域實現kHz量級濾波[2]，還可以在mW量級泵浦功率條件下生成寬帶高重頻克爾光頻梳[3]。此外，克爾光頻梳之間相位關系通過一定方式鎖定可以進一步實現相干光學頻率梳[4]，上述獨特的光學特性使得回音壁光學微腔在集成微波光子雷達系統中具有廣闊的應用前景。

本文將從回音壁光學微腔的線性和非線性特性角度出發，分別介紹了回音壁光學微腔在微波光子雷達系統中濾波、本振信號產生、信道化接收和波束形成功能模塊中的應用，分析了回音壁光學微腔在集成微波光子雷達系統中的關鍵效用和突出優勢，并且對回音壁光學微腔在未來雷達系統中的應用發展前景作出展望。

1 微波光子濾波

微波濾波器是雷達系統中的核心器件，隨著雷達信號形式與參數的日益復雜，傳統的電濾波器受限于電子電路帶寬瓶頸，無法滿足雷達濾波系統在工作帶寬、品質因子、可調諧性能、可重構性能、抗電磁干擾等方面的需求，微波光子濾波器應運而生[5-7]。

其中最常用的兩種方案分別是在微波光子鏈路中使用光濾波器實現射頻濾波[8-10]和利用光頻梳結合色散介質實現的多抽頭FIR濾波[11-15]。但是傳統的光濾波器往往面臨頻率分辨率不足、調諧范圍較小、調諧速度較慢等問題；而FIR濾波器中的光頻梳通常是通過分離的多波長激光器[11]、鎖模激光器[12]或是級聯調制器[13]實現，不僅穩定性較差，而且體積龐大價格昂貴。基于高品質因子回音壁光學微腔[16]的微波光子濾波器的應用有效解決了上述難題。

1.1 微腔線性濾波

基于微腔線性濾波特性的微波光子濾波器通常是在微波光子鏈路中使用單個或多個平面結構微環結構實現的[17-18]。傳統的硅基微環Q值在105左右，通常使用溫度控制[19]的方法進行調諧，可以在任意微波頻段實現頻率無關的濾波特性。然而對于某些窄帶濾波需求，傳統硅基微環仍難以提供足夠高的微波Q值，Q值為105的微環在X波段對應的微波Q值低于10。另一方面，熱調諧雖然能獲得較大的調諧范圍，但是調諧精度不足且調諧速度較慢。因此難以滿足現代雷達濾波系統的高頻率分辨率和調諧精度的需求。

為提升微波光子濾波器的Q值并改善其調諧性能，可使用具有超低損耗的電光材料。鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體可用于制作Q值高于2×108的回音壁光學微腔[2]，實現帶寬低至10 MHz的窄帶濾波[20]，利用電光效應可在10 GHz范圍內實現40 MHz/V的高精度線性調諧，調諧速度可達ns量級，且插入損耗低于5 dB。單個微腔的濾波特性為洛倫茲型，為了提供更加平坦的通帶和陡峭的過渡帶，可以使用級聯微腔的方式實現高階巴特沃斯濾波[21]，如圖1所示。其帶寬可低至10 MHz，同時具有高精度電光調諧性能。由于微腔體積極小，更高階的微波光子濾波器也可支持小型化的集成封裝。

圖1 光學微腔微波光子濾波器及其頻率響應

可見，鈮酸鋰和鉭酸鋰微腔具有超高的品質因子和電光系數，可實現寬帶、低損耗、可快速高精度調諧的窄帶濾波，非常適用于未來集成微波光子雷達濾波系統。在微腔濾波系統中，溫度波動會引起微腔材料折射率的變化，進而導致濾波中心頻率的漂移，影響濾波性能。因此，在集成封裝系統中需要進行高精度的溫度控制，以保證濾波系統的工作穩定性。

1.2 克爾光頻梳FIR濾波

實現多抽頭FIR結構微波光子濾波器的核心是光頻梳的生成。傳統的光頻梳生成方案包括鎖模激光器[3,12]和級聯調制器[13]，其中鎖模激光器光頻梳的重頻通常低于1 GHz,而級聯調制器方案雖然重頻可控，但體積龐大、價格昂貴。

高品質因子的光學微腔由于具有極高的場增強效應，可以在極低的閾值下激發各種非線性光學效應[22]。2007年，Del’Haye等[23]首次在二氧化硅的微芯環腔中產生了寬帶的克爾光頻梳并證明其梳齒嚴格等距。不同于傳統的光頻梳產生方案，基于微腔的克爾光頻梳結構簡單、可集成、重頻可高達THz量級，是實現可集成光頻梳的理想方案，如圖2所示。

圖2 微腔克爾光頻梳原理示意圖

通過泵浦微腔產生寬帶克爾光頻梳，并以光纖作為色散介質引入步進延時，通過控制光頻梳的幅度值，即可實現可調諧可重構的微波光子濾波器[24-25]。受限于可編程光濾波器的帶寬，微波光子濾波器的可控抽頭數通常在20個左右。通過增加微腔尺寸來產生具有更低重復頻率的克爾光頻梳,可提升抽頭數量。例如使用重頻為49 GHz的克爾光頻梳，可將抽頭數擴充到80個[26]，這極大地提升了微波光子濾波器的Q值以及調諧和重構的精度，通過數控可編程光濾波器改變抽頭的權重可以任意改變濾波形狀，實現了中心頻率1.4～11.5 GHz的調諧和3 dB帶寬0.5～4.6 GHz的重構，如圖3所示。

圖3 基于克爾光頻梳的FIR濾波器

1.3 帶寬縮放濾波

在使用光濾波器實現微波光子濾波時，由于光濾波器的頻率分辨率不足，可利用光頻梳將寬帶射頻信號在光域進行多播，并利用重頻差與光頻梳重頻略有區別的梳狀濾波器對射頻頻譜進行分割，將頻率分辨率提升至重頻差量級，從而實現了MHz級的可編程微波光子濾波[27]。光學微腔既可用于產生寬帶克爾光頻梳，又可用于實現窄帶的梳狀濾波，從而替代級聯調制器和法布里珀羅梳狀濾波器，實現更加低功耗可集成的微波光子濾波[28]，如圖4所示。通過控制光頻梳的梳齒功率，可以對微波光子濾波器進行靈活的調諧和重構，分辨率可達百MHz量級。

圖4 基于微腔的帶寬變換微波光子濾波器

在進行帶寬變換濾波時，光學微腔的色散效應會導致微腔梳狀濾波在頻域上是非等距的，這會引起濾波性能的惡化。通過合理設計光學微腔的幾何截面，可在寬帶范圍內使微腔的波導色散和材料色散相互抵消以獲得零色散。隨著微納加工工藝的不斷發展，對光學微腔色散參量的控制已經較為精確[29]

2 低相噪光生微波信號

在雷達系統中，為實現高靈敏度回波信號的接收和處理，需要盡可能降低本振信號的相位噪聲，避免弱信號被噪聲淹沒。傳統的電振蕩器的相位噪聲隨著頻率的升高顯著惡化[30]，無法滿足先進高靈敏度雷達系統對高頻載波的需求，光生微波[31-35]成為解決這一問題的最佳方案之一。光電振蕩器(OEO)是其中最廣為研究的技術之一[36],美國OEwaves公司利用16 km的長光纖作為儲能介質實現了相位噪聲低至-163 dBc@6 kHz的10 GHz本振信號[37]。然而，光電振蕩器的不足之處在于長光纖引入了較大的體積與重量且導致了密集的雜散信號，這既不利于微波光子雷達的集成化，還會提升系統的虛預警率。

具有超高品質因子的晶體微腔可替代長光纖作為儲能介質構成微型光電振蕩器，本身還可作為振蕩器直接產生超低相噪無雜散的微波信號，為未來微波光子雷達本振提供了解決方案。

2.1 微型光電振蕩器

微型光電振蕩器(μOEO)架構主要分為兩種，文獻[38]使用品質因子高于108的鉭酸鋰晶體微腔作為儲能介質的同時充當光濾波器進行微波光子濾波，僅使用220 m的光纖即可獲得-100 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲，基于鉭酸鋰晶體的電光特性，在2～15 GHz的范圍內實現了1 GHz/μs的高速高精度調諧，如圖5(a)所示；文獻[39]直接使用品質因子高達5.7×108的鉭酸鋰微腔進行調制和儲能，同樣獲得了-100 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲，通過控制微腔的偏置電壓，在X波段4 GHz范圍內實現了1 GHz/μs的高速高精度調諧，如圖5(b)所示。

(a)基于光學微腔和短光纖的μOEO和相位噪聲特性

值得一提的是，圖5(b)架構的微型光電振蕩器無須使用額外的光纖進行儲能，可實現極為緊湊的微型微波振蕩器，如圖6(a)所示。目前，微型光電振蕩器(μOEO)的相位噪聲相較于圖6(b)所示緊湊型光電振蕩器(COEO)仍有近30 dB的差距，這是由于μOEO中光學微腔的儲能時間短于COEO中使用的光纖，且μOEO中集成化的光電子器件噪聲性能較差。μOEO的優勢在于其無須使用光纖介質和電濾波器，體積可集成到硬幣大小，且重量極輕，因此具有良好的穩定性和抗震性能，非常適合作為高速機載、彈載雷達的本振源，而且光學微腔同時作為儲能和濾波介質，不需要使用復雜的雜散抑制技術，解決了傳統光電振蕩器中的雜散問題，降低了虛警率。為了降低μOEO的相位噪聲，需要進一步提升光學微腔的品質因子，品質因子為108的光學微腔儲能效果可以等效于近百米的光纖。可以預見，使用具有更高品質因子的光學微腔，可以得到接近傳統光電振蕩器的相位噪聲性能。

(a)微型光電振蕩器(μOEO)

2.2 微腔克爾頻梳分頻

目前，具有最低相位噪聲的微波信號是通過鎖模激光器光分頻產生的，12 GHz微波信號的相位噪聲可低至-173 dBc/Hz[35]。然而，該系統需要進行極其精密的反饋控制，使其應用場景受限。微腔克爾光頻梳的發現使微型的光分頻系統成為可能[4,40]。通過光電探測器對微腔克爾頻梳進行分頻，即可獲得頻率與微腔重頻相同的低相噪微波信號。文獻[41]利用回音壁光學微腔產生的寬帶克爾光頻梳，通過分頻的方式產生了相位噪聲為-120 kHz@ 1 kHz的9.9 GHz信號，如圖7(a)所示。為了進一步提升微腔振蕩器的頻率穩定性，文獻[42]利用銣泡對光頻梳進行了鎖定，在緊湊的體積內實現了高穩定的微波信號輸出，在1～1 000 s的積分時間內阿倫偏差在10-11數量級，如圖7(b)所示。

(a)基于克爾光頻梳分頻的微波振蕩器示意圖和相位噪聲特性

此外，文獻[43]還證明了對微腔光頻梳進行注入鎖定可以進一步降低注入信號的相位噪聲，從而獲得了-130 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲性能。文獻[44]利用微腔光頻梳為媒介，將超穩激光器的頻率穩定性通過分頻的方式傳遞到了任意微波頻率，相位噪聲可低至-135 dBc/Hz@10 kHz，如圖7(c)所示。特別地，文獻[45-46]利用超高品質因子二氧化硅微腔中的布里淵散射效應實現了微波振蕩，由于布里淵散射帶寬極窄，分頻下來的本振信號同樣具備較低的相位噪聲，也是非常具有應用前景的光生微波技術。

基于克爾光分頻的光生微波技術仍存在光梳轉化效率較低的問題，光電探測器輸出的微波信號仍需進一步放大才可使用，這會導致相位噪聲的惡化。為解決這一問題，可借鑒阻抗匹配的思路，使用雙微腔耦合的結構來進一步提升光頻梳的轉換效率,文獻[47]已證明雙微腔耦合結構理想情況下可獲得近100%的功率轉化效率，為高效的微腔光生微波技術提供了可能性。此外，鎖模克爾光梳的生成通常需要較為復雜的激光調諧和穩定技術，增加了系統復雜度，為解決這一問題，文獻[48]使用光注入鎖定技術實現了鎖模克爾光梳的開機即用，并實現了高度集成化，極大地推動了微腔光生微波技術的發展。

3 光子輔助信道化接收

微波光子信道化充分利用了光子技術大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優勢，可在光域將寬帶射頻信號進行頻譜劃分，下變頻到多個信道進行并行的基帶或中頻處理，使雷達接收機可以對寬帶捷變信號進行實時高精度探測[49]。

其中基于光學頻率梳多播的微波光子信道化方案被廣為研究[50-51]。在這些方案中，光學頻率梳多采用分離的多波長激光器、寬帶光源的光譜切割或級聯調制的方式實現，分立器件的使用不僅增加了系統的體積、功耗和價格，更難以實現集成化。高品質因子的光學微腔不僅支持集成化的寬帶光頻梳產生，而且具有極高的精細度，可以同時參與信道劃分，將成為集成微波光子信道化接收機的核心器件。下面將從頻譜切割和雙光梳相干接收兩方面介紹微腔在微波光子信道化系統中的應用。

3.1 基于微腔頻譜切割

在基于頻譜切割的信道化接收機中，高品質因子的光學微腔既可以產生高重頻的光頻梳，又可以作為梳狀濾波器實現頻譜切割。文獻[52]中利用200 GHz重頻的二氧化硅微環作為有源腔產生寬帶光頻梳參與信號多播，利用49 GHz重頻的微環作為無源腔實現梳狀的頻譜切割，實現了緊湊的信道化接收機，如圖8所示。在C波段實現了20個信道，1.04 GHz分辨率的信號接收。可以預見，隨著微納加工技術的發展，集成光學微腔的品質因子可以提升一個數量級，獲得更加精細的濾波特性，配合更大帶寬的光學放大及整形器件，可以進一步提升信道數量并將頻率分辨率提升至MHz量級。

圖8 基于有源無源微腔的頻譜切割型微波光子信道化接收機架構

3.2 基于微腔雙相干光梳

基于頻譜切割的信道化接收方案對濾波器的性能有較高的要求，由于多播造成的功率損失會導致接收信號被噪聲淹沒，而且接收過程還會丟失信號的相位信息。因此可基于使用雙相干光頻梳進行信道化接收[51,53-54]，利用重頻有微小差異的兩個相干光學頻率梳，其中一個作為信號光頻梳，用于在光域進行寬帶信號的多播；另一個作為本振光頻梳，用于進行多通道相干光接收，將不同頻譜分量下的信號下變頻至基帶或中頻，使用低速ADC進行并行處理，精細濾波可在數字域完成，可以極大地提升信道化系統的靈敏度和頻率分辨率。

采用傳統的級聯電光調制方案產生雙光頻梳，分離器件的數量將增加一倍，這會導致系統體積重量功耗大幅上升，系統的穩定性難以保證。采用微腔產生克爾雙光梳是解決這一問題的最佳方案之一。基于微腔的光頻梳作為最具集成化潛力的超寬帶頻梳光源，已成功應用于雙梳光譜學[55]、高速相干光通信[56]、激光測距[57-58]、計量學[59]等領域。基于微腔的相干雙光梳可以通過使用兩個互相鎖定連續光激光器對直徑略有不同的光學微腔進行泵浦獲得[58]，也可以通過單一連續激光器泵浦兩個微腔獲得[60]。值得一提的是，文獻[57]證明利用單一連續光激光器以不同方向泵浦同一激光器，可直接獲得重頻具有微小差異的雙相干光學頻率梳，非常適合微波光子信道化系統的集成。結合這些方案，微波光子信道化系統的架構如圖9所示。

(c)基于單個微腔的正反向雙光梳

4 光控波束形成

隨著未來雷達系統對寬帶信號處理能力的需求，基于相移法的波束形成技術將造成嚴重的波束傾斜效應[61]。因此，實現真延時的波束形成尤為重要。微波光子真延時通過將微波信號調制到光載波上，通過低損耗光學介質的群延時實現微波信號的真延時[62]。其中最常見的方式是使用多波長光源結合光波導的群速色散實現步進延時[63]，這種方式避免了多路延時介質的使用，簡化了系統結構。為了獲得更小的波束寬度從而提升波束的角分辨率，需要盡量增加輻射單元即光頻梳的梳齒個數，此時使用分離的激光光源[64]或級聯調制的方式[13]不僅無法獲得足夠多的信道數，還會嚴重增加系統的復雜度。

高品質因子微腔的使用則解決了上述問題，通過連續光泵浦的方式，可實現超寬帶的克爾光學頻率梳[3]，為相控陣系統提供足夠多的通道數。文獻[25]利用重頻200 GHz的克爾光頻梳在C波段實現了21通道的真延時相控陣天線，在X波段實現了最低5°的3 dB波束寬度以及123.2°的波束掃描范圍，并在文獻[65]中利用重頻為49 GHz的克爾光頻梳極大提升了系統的性能，在X波段實現了1.2°的3 dB波束寬度以及142.7°的波束掃描范圍，如圖10所示。

(a)基于微腔的真延時相控陣天線架構

5 展望

回音壁光學微腔已經通過多種材料制備實現,并且氮化硅、氧化硅、鈮酸鋰等材料微腔可以支持大規模單片集成。因此，回音壁光學微腔在微波光子雷達系統中的應用具有廣闊的發展空間：

1)在微波光子濾波和信道化接收方面，受限于光放大器和頻譜整形器件帶寬，微腔光頻梳可提供的抽頭數和信道數無法被充分利用，拉曼放大器等寬譜光學器件有助于進一步提升微波光子濾波和信道化接收性能。

2)在本振信號產生方面，隨著探測器帶寬性能不斷提升，太赫茲重頻克爾頻梳可以通過拍頻方式實現低相噪太赫茲信號產生，在太赫茲雷達系統中具有很好的應用前景。

3)在光控波束形成方面，更低重頻微腔光頻梳(例如采用超高品質因子的毫米尺度晶體微腔)有助于實現更窄波束寬度、更寬波束掃描范圍和更高掃描精度。隨著微納加工技術的不斷發展，集成式回音壁光學微腔的品質因子能夠提升一個數量級，可以獲得與晶體光學微腔相媲美的光學性能。

4)除了傳統微波光子雷達領域，微腔克爾頻梳時域表現為高速飛秒光脈沖，可以應用于超高速激光測距雷達中，在自動駕駛、無人導航、智能制造等領域都具有廣泛的應用前景。

5)作為集成微波光子系統中的核心元件，光學微腔發展迅速，其加工制備工藝已較為完善，物理機理也得到了較為深入的研究。但受限于其他集成微波光子器件的性能指標，目前基于微腔的微波光子雷達系統中仍需要使用較多的分立器件，例如激光光源、調制器、探測器、光纖器件和頻譜控制器件等。為了最終實現集成化的微波光子雷達系統，仍需要進一步研究發展高性能的集成光源、探測器以及各種寬帶光信號處理器件。

6 結束語

本文系統總結了高品質回音壁光學微腔在微波光子雷達系統中的應用，主要包括微波光子濾波、光生微波信號、光子輔助信道化接收和光控波束形成，并且對回音壁光學微腔在雷達系統中應用發展進行了展望。在微波光子集成技術的發展驅動下，高品質回音壁光學微腔將是未來集成化微波光子雷達系統中的核心功能單元器件。