(1.北京郵電大學(xué)信息光子與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876;2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

微波光子雷達(dá)充分利用光子技術(shù)的大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可以突破傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中固有的“電子瓶頸”，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶信號(hào)的產(chǎn)生、控制和處理。目前，微波光子雷達(dá)系統(tǒng)多由分離電光/光電器件構(gòu)建，重量體積較大、成本高且系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。隨著集成微波光子技術(shù)的發(fā)展[1]，集成化成為微波光子雷達(dá)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

回音壁光學(xué)微腔是具有極低損耗的集成光學(xué)核心元件，其品質(zhì)因子可高達(dá)1011，既能夠在光域?qū)崿F(xiàn)kHz量級(jí)濾波[2]，還可以在mW量級(jí)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(guān)系通過(guò)一定方式鎖定可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相干光學(xué)頻率梳[4]，上述獨(dú)特的光學(xué)特性使得回音壁光學(xué)微腔在集成微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文將從回音壁光學(xué)微腔的線性和非線性特性角度出發(fā)，分別介紹了回音壁光學(xué)微腔在微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中濾波、本振信號(hào)產(chǎn)生、信道化接收和波束形成功能模塊中的應(yīng)用，分析了回音壁光學(xué)微腔在集成微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵效用和突出優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)回音壁光學(xué)微腔在未來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展前景作出展望。

1 微波光子濾波

微波濾波器是雷達(dá)系統(tǒng)中的核心器件，隨著雷達(dá)信號(hào)形式與參數(shù)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的電濾波器受限于電子電路帶寬瓶頸，無(wú)法滿(mǎn)足雷達(dá)濾波系統(tǒng)在工作帶寬、品質(zhì)因子、可調(diào)諧性能、可重構(gòu)性能、抗電磁干擾等方面的需求，微波光子濾波器應(yīng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)射頻濾波[8-10]和利用光頻梳結(jié)合色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的多抽頭FIR濾波[11-15]。但是傳統(tǒng)的光濾波器往往面臨頻率分辨率不足、調(diào)諧范圍較小、調(diào)諧速度較慢等問(wèn)題；而FIR濾波器中的光頻梳通常是通過(guò)分離的多波長(zhǎng)激光器[11]、鎖模激光器[12]或是級(jí)聯(lián)調(diào)制器[13]實(shí)現(xiàn)，不僅穩(wěn)定性較差，而且體積龐大價(jià)格昂貴?；诟咂焚|(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔[16]的微波光子濾波器的應(yīng)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(gè)或多個(gè)平面結(jié)構(gòu)微環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的[17-18]。傳統(tǒng)的硅基微環(huán)Q值在105左右，通常使用溫度控制[19]的方法進(jìn)行調(diào)諧，可以在任意微波頻段實(shí)現(xiàn)頻率無(wú)關(guān)的濾波特性。然而對(duì)于某些窄帶濾波需求，傳統(tǒng)硅基微環(huán)仍難以提供足夠高的微波Q值，Q值為105的微環(huán)在X波段對(duì)應(yīng)的微波Q值低于10。另一方面，熱調(diào)諧雖然能獲得較大的調(diào)諧范圍，但是調(diào)諧精度不足且調(diào)諧速度較慢。因此難以滿(mǎn)足現(xiàn)代雷達(dá)濾波系統(tǒng)的高頻率分辨率和調(diào)諧精度的需求。

為提升微波光子濾波器的Q值并改善其調(diào)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(xué)微腔[2]，實(shí)現(xiàn)帶寬低至10 MHz的窄帶濾波[20]，利用電光效應(yīng)可在10 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)40 MHz/V的高精度線性調(diào)諧，調(diào)諧速度可達(dá)ns量級(jí)，且插入損耗低于5 dB。單個(gè)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(guò)渡帶，可以使用級(jí)聯(lián)微腔的方式實(shí)現(xiàn)高階巴特沃斯濾波[21]，如圖1所示。其帶寬可低至10 MHz，同時(shí)具有高精度電光調(diào)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(xué)微腔微波光子濾波器及其頻率響應(yīng)

可見(jiàn)，鈮酸鋰和鉭酸鋰微腔具有超高的品質(zhì)因子和電光系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)寬帶、低損耗、可快速高精度調(diào)諧的窄帶濾波，非常適用于未來(lái)集成微波光子雷達(dá)濾波系統(tǒng)。在微腔濾波系統(tǒng)中，溫度波動(dòng)會(huì)引起微腔材料折射率的變化，進(jìn)而導(dǎo)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(tǒng)中需要進(jìn)行高精度的溫度控制，以保證濾波系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1.2 克爾光頻梳FIR濾波

實(shí)現(xiàn)多抽頭FIR結(jié)構(gòu)微波光子濾波器的核心是光頻梳的生成。傳統(tǒng)的光頻梳生成方案包括鎖模激光器[3,12]和級(jí)聯(lián)調(diào)制器[13]，其中鎖模激光器光頻梳的重頻通常低于1 GHz,而級(jí)聯(lián)調(diào)制器方案雖然重頻可控，但體積龐大、價(jià)格昂貴。

高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔由于具有極高的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，可以在極低的閾值下激發(fā)各種非線性光學(xué)效應(yīng)[22]。2007年，Del’Haye等[23]首次在二氧化硅的微芯環(huán)腔中產(chǎn)生了寬帶的克爾光頻梳并證明其梳齒嚴(yán)格等距。不同于傳統(tǒng)的光頻梳產(chǎn)生方案，基于微腔的克爾光頻梳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可集成、重頻可高達(dá)THz量級(jí)，是實(shí)現(xiàn)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(guò)泵浦微腔產(chǎn)生寬帶克爾光頻梳，并以光纖作為色散介質(zhì)引入步進(jìn)延時(shí)，通過(guò)控制光頻梳的幅度值，即可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧可重構(gòu)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(shù)通常在20個(gè)左右。通過(guò)增加微腔尺寸來(lái)產(chǎn)生具有更低重復(fù)頻率的克爾光頻梳,可提升抽頭數(shù)量。例如使用重頻為49 GHz的克爾光頻梳，可將抽頭數(shù)擴(kuò)充到80個(gè)[26]，這極大地提升了微波光子濾波器的Q值以及調(diào)諧和重構(gòu)的精度，通過(guò)數(shù)控可編程光濾波器改變抽頭的權(quán)重可以任意改變?yōu)V波形狀，實(shí)現(xiàn)了中心頻率1.4～11.5 GHz的調(diào)諧和3 dB帶寬0.5～4.6 GHz的重構(gòu)，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(shí)現(xiàn)微波光子濾波時(shí)，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(hào)在光域進(jìn)行多播，并利用重頻差與光頻梳重頻略有區(qū)別的梳狀濾波器對(duì)射頻頻譜進(jìn)行分割，將頻率分辨率提升至重頻差量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了MHz級(jí)的可編程微波光子濾波[27]。光學(xué)微腔既可用于產(chǎn)生寬帶克爾光頻梳，又可用于實(shí)現(xiàn)窄帶的梳狀濾波，從而替代級(jí)聯(lián)調(diào)制器和法布里珀羅梳狀濾波器，實(shí)現(xiàn)更加低功耗可集成的微波光子濾波[28]，如圖4所示。通過(guò)控制光頻梳的梳齒功率，可以對(duì)微波光子濾波器進(jìn)行靈活的調(diào)諧和重構(gòu)，分辨率可達(dá)百M(fèi)Hz量級(jí)。

圖4 基于微腔的帶寬變換微波光子濾波器

在進(jìn)行帶寬變換濾波時(shí)，光學(xué)微腔的色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致微腔梳狀濾波在頻域上是非等距的，這會(huì)引起濾波性能的惡化。通過(guò)合理設(shè)計(jì)光學(xué)微腔的幾何截面，可在寬帶范圍內(nèi)使微腔的波導(dǎo)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(fā)展，對(duì)光學(xué)微腔色散參量的控制已經(jīng)較為精確[29]

2 低相噪光生微波信號(hào)

在雷達(dá)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度回波信號(hào)的接收和處理，需要盡可能降低本振信號(hào)的相位噪聲，避免弱信號(hào)被噪聲淹沒(méi)。傳統(tǒng)的電振蕩器的相位噪聲隨著頻率的升高顯著惡化[30]，無(wú)法滿(mǎn)足先進(jìn)高靈敏度雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)高頻載波的需求，光生微波[31-35]成為解決這一問(wèn)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(shù)之一[36],美國(guó)OEwaves公司利用16 km的長(zhǎng)光纖作為儲(chǔ)能介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了相位噪聲低至-163 dBc@6 kHz的10 GHz本振信號(hào)[37]。然而，光電振蕩器的不足之處在于長(zhǎng)光纖引入了較大的體積與重量且導(dǎo)致了密集的雜散信號(hào)，這既不利于微波光子雷達(dá)的集成化，還會(huì)提升系統(tǒng)的虛預(yù)警率。

具有超高品質(zhì)因子的晶體微腔可替代長(zhǎng)光纖作為儲(chǔ)能介質(zhì)構(gòu)成微型光電振蕩器，本身還可作為振蕩器直接產(chǎn)生超低相噪無(wú)雜散的微波信號(hào)，為未來(lái)微波光子雷達(dá)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(μO(píng)EO)架構(gòu)主要分為兩種，文獻(xiàn)[38]使用品質(zhì)因子高于108的鉭酸鋰晶體微腔作為儲(chǔ)能介質(zhì)的同時(shí)充當(dāng)光濾波器進(jìn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 GHz/μs的高速高精度調(diào)諧，如圖5(a)所示；文獻(xiàn)[39]直接使用品質(zhì)因子高達(dá)5.7×108的鉭酸鋰微腔進(jìn)行調(diào)制和儲(chǔ)能，同樣獲得了-100 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲，通過(guò)控制微腔的偏置電壓，在X波段4 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 GHz/μs的高速高精度調(diào)諧，如圖5(b)所示。

(a)基于光學(xué)微腔和短光纖的μO(píng)EO和相位噪聲特性

值得一提的是，圖5(b)架構(gòu)的微型光電振蕩器無(wú)須使用額外的光纖進(jìn)行儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)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(μO(píng)EO)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μO(píng)EO中光學(xué)微腔的儲(chǔ)能時(shí)間短于COEO中使用的光纖，且μO(píng)EO中集成化的光電子器件噪聲性能較差。μO(píng)EO的優(yōu)勢(shì)在于其無(wú)須使用光纖介質(zhì)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(wěn)定性和抗震性能，非常適合作為高速機(jī)載、彈載雷達(dá)的本振源，而且光學(xué)微腔同時(shí)作為儲(chǔ)能和濾波介質(zhì)，不需要使用復(fù)雜的雜散抑制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)光電振蕩器中的雜散問(wèn)題，降低了虛警率。為了降低μO(píng)EO的相位噪聲，需要進(jìn)一步提升光學(xué)微腔的品質(zhì)因子，品質(zhì)因子為108的光學(xué)微腔儲(chǔ)能效果可以等效于近百米的光纖?？梢灶A(yù)見(jiàn)，使用具有更高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，可以得到接近傳統(tǒng)光電振蕩器的相位噪聲性能。

(a)微型光電振蕩器(μO(píng)EO)

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(hào)是通過(guò)鎖模激光器光分頻產(chǎn)生的，12 GHz微波信號(hào)的相位噪聲可低至-173 dBc/Hz[35]。然而，該系統(tǒng)需要進(jìn)行極其精密的反饋控制，使其應(yīng)用場(chǎng)景受限。微腔克爾光頻梳的發(fā)現(xiàn)使微型的光分頻系統(tǒng)成為可能[4,40]。通過(guò)光電探測(cè)器對(duì)微腔克爾頻梳進(jìn)行分頻，即可獲得頻率與微腔重頻相同的低相噪微波信號(hào)。文獻(xiàn)[41]利用回音壁光學(xué)微腔產(chǎn)生的寬帶克爾光頻梳，通過(guò)分頻的方式產(chǎn)生了相位噪聲為-120 kHz@ 1 kHz的9.9 GHz信號(hào)，如圖7(a)所示。為了進(jìn)一步提升微腔振蕩器的頻率穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[42]利用銣泡對(duì)光頻梳進(jìn)行了鎖定，在緊湊的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定的微波信號(hào)輸出，在1～1 000 s的積分時(shí)間內(nèi)阿倫偏差在10-11數(shù)量級(jí)，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(xiàn)[43]還證明了對(duì)微腔光頻梳進(jìn)行注入鎖定可以進(jìn)一步降低注入信號(hào)的相位噪聲，從而獲得了-130 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲性能。文獻(xiàn)[44]利用微腔光頻梳為媒介，將超穩(wěn)激光器的頻率穩(wěn)定性通過(guò)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(xiàn)[45-46]利用超高品質(zhì)因子二氧化硅微腔中的布里淵散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了微波振蕩，由于布里淵散射帶寬極窄，分頻下來(lái)的本振信號(hào)同樣具備較低的相位噪聲，也是非常具有應(yīng)用前景的光生微波技術(shù)。

基于克爾光分頻的光生微波技術(shù)仍存在光梳轉(zhuǎn)化效率較低的問(wèn)題，光電探測(cè)器輸出的微波信號(hào)仍需進(jìn)一步放大才可使用，這會(huì)導(dǎo)致相位噪聲的惡化。為解決這一問(wèn)題，可借鑒阻抗匹配的思路，使用雙微腔耦合的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步提升光頻梳的轉(zhuǎn)換效率,文獻(xiàn)[47]已證明雙微腔耦合結(jié)構(gòu)理想情況下可獲得近100%的功率轉(zhuǎn)化效率，為高效的微腔光生微波技術(shù)提供了可能性。此外，鎖?？藸柟馐岬纳赏ǔＰ枰^為復(fù)雜的激光調(diào)諧和穩(wěn)定技術(shù)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[48]使用光注入鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎖?？藸柟馐岬拈_(kāi)機(jī)即用，并實(shí)現(xiàn)了高度集成化，極大地推動(dòng)了微腔光生微波技術(shù)的發(fā)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(shù)大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可在光域?qū)拵漕l信號(hào)進(jìn)行頻譜劃分，下變頻到多個(gè)信道進(jìn)行并行的基帶或中頻處理，使雷達(dá)接收機(jī)可以對(duì)寬帶捷變信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度探測(cè)[49]。

其中基于光學(xué)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(xué)頻率梳多采用分離的多波長(zhǎng)激光器、寬帶光源的光譜切割或級(jí)聯(lián)調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)，分立器件的使用不僅增加了系統(tǒng)的體積、功耗和價(jià)格，更難以實(shí)現(xiàn)集成化。高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔不僅支持集成化的寬帶光頻梳產(chǎn)生，而且具有極高的精細(xì)度，可以同時(shí)參與信道劃分，將成為集成微波光子信道化接收機(jī)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(tǒng)中的應(yīng)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(jī)中，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔既可以產(chǎn)生高重頻的光頻梳，又可以作為梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)頻譜切割。文獻(xiàn)[52]中利用200 GHz重頻的二氧化硅微環(huán)作為有源腔產(chǎn)生寬帶光頻梳參與信號(hào)多播，利用49 GHz重頻的微環(huán)作為無(wú)源腔實(shí)現(xiàn)梳狀的頻譜切割，實(shí)現(xiàn)了緊湊的信道化接收機(jī)，如圖8所示。在C波段實(shí)現(xiàn)了20個(gè)信道，1.04 GHz分辨率的信號(hào)接收?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，集成光學(xué)微腔的品質(zhì)因子可以提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，獲得更加精細(xì)的濾波特性，配合更大帶寬的光學(xué)放大及整形器件，可以進(jìn)一步提升信道數(shù)量并將頻率分辨率提升至MHz量級(jí)。

圖8 基于有源無(wú)源微腔的頻譜切割型微波光子信道化接收機(jī)架構(gòu)

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(duì)濾波器的性能有較高的要求，由于多播造成的功率損失會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)被噪聲淹沒(méi)，而且接收過(guò)程還會(huì)丟失信號(hào)的相位信息。因此可基于使用雙相干光頻梳進(jìn)行信道化接收[51,53-54]，利用重頻有微小差異的兩個(gè)相干光學(xué)頻率梳，其中一個(gè)作為信號(hào)光頻梳，用于在光域進(jìn)行寬帶信號(hào)的多播；另一個(gè)作為本振光頻梳，用于進(jìn)行多通道相干光接收，將不同頻譜分量下的信號(hào)下變頻至基帶或中頻，使用低速ADC進(jìn)行并行處理，精細(xì)濾波可在數(shù)字域完成，可以極大地提升信道化系統(tǒng)的靈敏度和頻率分辨率。

采用傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)電光調(diào)制方案產(chǎn)生雙光頻梳，分離器件的數(shù)量將增加一倍，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積重量功耗大幅上升，系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以保證。采用微腔產(chǎn)生克爾雙光梳是解決這一問(wèn)題的最佳方案之一?；谖⑶坏墓忸l梳作為最具集成化潛力的超寬帶頻梳光源，已成功應(yīng)用于雙梳光譜學(xué)[55]、高速相干光通信[56]、激光測(cè)距[57-58]、計(jì)量學(xué)[59]等領(lǐng)域?；谖⑶坏南喔呻p光梳可以通過(guò)使用兩個(gè)互相鎖定連續(xù)光激光器對(duì)直徑略有不同的光學(xué)微腔進(jìn)行泵浦獲得[58]，也可以通過(guò)單一連續(xù)激光器泵浦兩個(gè)微腔獲得[60]。值得一提的是，文獻(xiàn)[57]證明利用單一連續(xù)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(xué)頻率梳，非常適合微波光子信道化系統(tǒng)的集成。結(jié)合這些方案，微波光子信道化系統(tǒng)的架構(gòu)如圖9所示。

(c)基于單個(gè)微腔的正反向雙光梳

4 光控波束形成

隨著未來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)寬帶信號(hào)處理能力的需求，基于相移法的波束形成技術(shù)將造成嚴(yán)重的波束傾斜效應(yīng)[61]。因此，實(shí)現(xiàn)真延時(shí)的波束形成尤為重要。微波光子真延時(shí)通過(guò)將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，通過(guò)低損耗光學(xué)介質(zhì)的群延時(shí)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的真延時(shí)[62]。其中最常見(jiàn)的方式是使用多波長(zhǎng)光源結(jié)合光波導(dǎo)的群速色散實(shí)現(xiàn)步進(jìn)延時(shí)[63]，這種方式避免了多路延時(shí)介質(zhì)的使用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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(gè)數(shù)，此時(shí)使用分離的激光光源[64]或級(jí)聯(lián)調(diào)制的方式[13]不僅無(wú)法獲得足夠多的信道數(shù)，還會(huì)嚴(yán)重增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

高品質(zhì)因子微腔的使用則解決了上述問(wèn)題，通過(guò)連續(xù)光泵浦的方式，可實(shí)現(xiàn)超寬帶的克爾光學(xué)頻率梳[3]，為相控陣系統(tǒng)提供足夠多的通道數(shù)。文獻(xiàn)[25]利用重頻200 GHz的克爾光頻梳在C波段實(shí)現(xiàn)了21通道的真延時(shí)相控陣天線，在X波段實(shí)現(xiàn)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(xiàn)[65]中利用重頻為49 GHz的克爾光頻梳極大提升了系統(tǒng)的性能，在X波段實(shí)現(xiàn)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(shí)相控陣天線架構(gòu)

5 展望

回音壁光學(xué)微腔已經(jīng)通過(guò)多種材料制備實(shí)現(xiàn),并且氮化硅、氧化硅、鈮酸鋰等材料微腔可以支持大規(guī)模單片集成。因此，回音壁光學(xué)微腔在微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)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(shù)和信道數(shù)無(wú)法被充分利用，拉曼放大器等寬譜光學(xué)器件有助于進(jìn)一步提升微波光子濾波和信道化接收性能。

2)在本振信號(hào)產(chǎn)生方面，隨著探測(cè)器帶寬性能不斷提升，太赫茲重頻克爾頻梳可以通過(guò)拍頻方式實(shí)現(xiàn)低相噪太赫茲信號(hào)產(chǎn)生，在太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)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(zhì)因子的毫米尺度晶體微腔)有助于實(shí)現(xiàn)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(shù)的不斷發(fā)展，集成式回音壁光學(xué)微腔的品質(zhì)因子能夠提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以獲得與晶體光學(xué)微腔相媲美的光學(xué)性能。

4)除了傳統(tǒng)微波光子雷達(dá)領(lǐng)域，微腔克爾頻梳時(shí)域表現(xiàn)為高速飛秒光脈沖，可以應(yīng)用于超高速激光測(cè)距雷達(dá)中，在自動(dòng)駕駛、無(wú)人導(dǎo)航、智能制造等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

5)作為集成微波光子系統(tǒng)中的核心元件，光學(xué)微腔發(fā)展迅速，其加工制備工藝已較為完善，物理機(jī)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(biāo)，目前基于微腔的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中仍需要使用較多的分立器件，例如激光光源、調(diào)制器、探測(cè)器、光纖器件和頻譜控制器件等。為了最終實(shí)現(xiàn)集成化的微波光子雷達(dá)系統(tǒng)，仍需要進(jìn)一步研究發(fā)展高性能的集成光源、探測(cè)器以及各種寬帶光信號(hào)處理器件。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)總結(jié)了高品質(zhì)回音壁光學(xué)微腔在微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要包括微波光子濾波、光生微波信號(hào)、光子輔助信道化接收和光控波束形成，并且對(duì)回音壁光學(xué)微腔在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了展望。在微波光子集成技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，高品質(zhì)回音壁光學(xué)微腔將是未來(lái)集成化微波光子雷達(dá)系統(tǒng)中的核心功能單元器件。