一、关键科学问题及研究内容

1、关键科学问题

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）关键科学问题之一：微波和光波高效线性转换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，即微波和光波高效线性转换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）关键科学问题之二：非线性条件下光域微波信号的超精细调控方法

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，即非线性条件下光域微波信号的超精细调控方法。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。

（3）关键科学问题之三：分布式环境下微波光波协同与可重构组网的系统模型

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，即分布式环境下微波光波协同与可重构组网的系统模型。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

围绕上述三个关键科学问题，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：

[针对关键科学问题一] 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；

[针对关键科学问题二] 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；

[针对关键科学问题三] 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1：高频宽带微波与光波相互高效转换机理

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2：微波与光波大功率超宽带高效转换器件

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L～U波段（1～60GHz）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：①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L～K波段（1～26.5GHz）高线性高效率模拟直调半导体激光器；②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K～U波段（20～60GHz）微波光子调制的光发射集成芯片；③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3：多波段可调谐高精细度微波光子信号处理

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4：非线性链路宽带微波光子信号可调控传输

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5：分布式动态可重构微波光波融合系统的建模与实验  

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；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、本项目的总体目标 

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、五年预期目标

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）在微波光子学基础理论研究方面取得突破：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）在核心器件的设计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L～U波段（1～60GHz），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：L～K波段(1～26.5GHz)高线性模拟直调激光器；K～U波段(20～60GHz)微波光子调制发射集成芯片；带宽到U波段(60GHz)大功率光电探测器。

（3）在原型系统与验证平台方面取得突破：构建新一代智能光载无线（I-ROF）宽带泛在接入原型系统与科学实验平台，完成所提新机理、新方法、新模型的科学实验，验证I-ROF系统具有宽带接入、透明无线信号传输，支持多频段、智能信息处理、资源可管可控等特点，并进一步探索其对现有多模多制式异构网络的兼容性，以及支持现有无线接入网应用的平滑升级方法。

实验验证与示范演示主要包括：室内60GHz频段10Gb/s速率的多媒体和数据传输实验与业务接入演示；室内/外L～K波段内多制式、多业务泛在无线接入演示；基于4个模拟无线小区的覆盖和切换，完成多种宽带业务接入示范，并体现资源的可管可控。

（4）学术贡献：在国内外光通信和光子信息领域重要刊物上发表SCI检索论文200篇(IF=2.0以上100篇) ；在OFC、ECOC和MWP等顶级国际会议上发表20篇论文；在国内举办1-2次有较大国际影响的微波光子学与核心技术的国际学术会议；授权或受理国家发明专利50项以上。

（5）人才培养：形成高水平微波光子器件和集成系统研究的协作平台；进一步促进所在国家实验室、国家重点实验室、教育部重点实验室等科研基地的建设与发展；培养出优秀青年教师和研究骨干，新增国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者、中科院百人计划、国家千人计划等杰出人才1-2人；教育部新世纪人才、省部级科技新星等青年人才3-5人；培养硕士生100名，博士生50名。

三、研究方案

1、总体研究思路

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,针对宽带泛在信息接入的国家重大需求，始终紧密围绕微波光波融合面临的三个关键科学问题开展研究，在基础理论与关键技术方面实现创新突破，为我国未来光无线融合网络重大应用奠定坚实的理论与技术基础。为达到上述预期目标，总体研究思路的制定依据与贯彻实施主要包括以下四点：

（1）按照目标要求：为深入认识“高效转换、精细调控、协同重构”三个科学问题的本质特征及相互关系，按照科学研究的主线，本项目将分别从机理、方法、模型三个层面着手，系统性地探索“高效转换机理、高效转换器件、精细信号处理、信号可控传输、融合系统建模”五个方面的内容。

（2）根据发展规律：根据微波光波融合的发展规律与演进趋势,提出可行的研究方法，充分发挥微波和光波的各自优势，并有机融合，形成较为完整的研究途径。尤其是自主研制具有国际先进水平的核心微波光子转换器件、信息处理模块与原型系统。

（3）坚持交叉融合：本项目在实施过程中，将坚持“微波与光波协同探索、光器件与光系统驱牵互动、光通信与光信息处理交叉融合”的学术思路，并贯穿于项目实施的全过程。同时充分利用已有的研究基础，自主创新地开展新型器件与系统的研究。

（4）遵循创新原则：在目前常规的光载无线（RoF）基础上，引入分布式天线环境下的光信息处理与协同重构等思想，完成新一代“智能光载无线I-RoF”科学实验验证，实现“宽带泛在接入”的示范演示。

2、项目技术路线

根据上述总体学术思路，本项目针对微波光波融合系统研究所面临的挑战和关键问题，围绕如何实现高效率与高线性的光与微波转换单元器件、超精细与可调谐处理模块与可操控、自适应传输链路等问题进行深入研究，为构建新一代微波光波融合系统提供新型器件与核心单元的支撑。同时，项目将对如何构建分布式可重构的微波光波融合系统的关键技术问题进行深入研究，建立面向未来宽带泛在接入应用的微波光波融合系统I-RoF原型系统与实验演示平台，具体研究方案与技术路线包括以下五个方面：

（1）探索高频宽带微波与光波信号高效转换机理

微波与光波的相互作用是通过介质中非线性极化完成的，要提高相互作用的效率可以通过提高两者之间的相互作用系数和提高光场与电场重叠积分因子来实现。

经典电磁场理论采用宏观非线性电极化P=cE= c₁E+c₂E² +c₃E³…来描述电磁场E通过物质宏观极化率c产生的相互作用。可见当材料中存在两个以上矢量场，例如E= E_e(微波场)+ E_o（光场）时，极化率的一阶项c₁和二阶项c₂使得相互作用产生的极化与E_e或E_o成线性关系P= c₂(|E_e|²+|E_o|²)+ c₁(E_e+E_o)+2c₂E_eE_o. 其中第一项是直流信号，第二、三项辐射输出与E_e或者与E_o成正比的输出信号。c₃以上的高阶项将导致输出与E_e或E_o之间呈非线性关系，产生失真，应该予以避免。

以上基本原理指出高效率、高质量的微波光子学研究应该集中在以下4个方面上：1）发展可被微波频率信号控制的高c₁材料，为微波或光波提供增益和相位移；2）发展高c₂材料，为微波或光波提供强相互作用；3）发展新型微波和光学结构，增强二者在空间的重叠和时间域的速度匹配以及与材料的相互作用；4）避免高阶相互作用造成的非线性失真。

由于半导体材料提供极高的c₁，载流子在能带之间的产生/复合过程将导致的强光学吸收、增益和相移效应，因此，通过载流子作用可以实现较高微波与光波的相互作用系数。由于载流子的输运、复合等过程时间常数与微波/毫米波周期属于同一数量级，因此加速这些过程是研究的主要努力方向。为此，将深入研究有源器件中载流子的动态输运过程，分析载流子在器件内部的空间动态分布特性，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及高效、高速响应的机理，研究利用高速能带内载流子再分布效应实现对光场的超高速调制，建立微波与光波之间能量高效、线性、高速转递的理论模型。

同时，积极探索包括超常材料在内的微波光子新材料，通过新的光学/电学结构，将电场和光场局限在器件有源区，获得电场和光场在空间和时间上的高度交叠，提高光场与电场重叠积分因子，从而提高相互作用效率。拟采用固体物理、量子场论研究超常材料的折射率微观机制，利用变换光学方法探索并设计材料的合理结构，采用相应的合成、表征、组装方法，调节超常材料的几何结构和排列方式以调控材料的非线性系数，实现在超常材料与半导体材料构成的复合材料中微波和光波具有相匹配的介电常数，从而使得实现微波和光波在材料中具有相近折射率，解决微波与光波相互作用的速度严重失配问题。将超常材料的结构单元开口环谐振器嵌入到传统光调制器的半导体材料中，利用开口环谐振器的电调谐特性调节并提高传统调制器的线性度，通过优化结构参数和组合方式，实现调制带宽达到60GHz的高线性度调制功能。

（2）实现微波与光波大功率超宽带高效转换器件

本项目拟采用有源半导体集成器件来实现“宽带泛在接入”所需的大功率超宽带光发射和光接收器件。在理论模型基础上，将采用能带工程对器件有源区进行能带结构分布、掺杂分布等结构优化，优化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，以增强微波和光波的相互作用，提高微波和光波之间的转换效率，加快载流子的迁移率，实现高效、高速、高线性、高功率、低噪声的电-光或光-电转换。针对不同的器件，拟采取的有针对性技术途径如下：

[器件1—覆盖L～K波段（1～26.5GHz）的高线性模拟直调激光器] 在提高激光器调制带宽方面，采用有源区隔离沟工艺和优化芯片电极结构，以减少芯片寄生阻抗和寄生电容；采取渐变传输线阻抗匹配、高频电感偏置网络和金丝寄生参数补偿等微波封装技术，提高激光器的频率响应。在提高激光器输出功率和线性度方面，采用应变层量子阱（MQW）有源区结构并设计光栅的布拉格波长在MQW增益峰值的短波长一侧来提高激光器的量子效率和微分增益；采用应变补偿MQW有源区结构、较短的腔长和较高的端面反射率，减小有源区体积和采用较少的量子阱阱数来降低器件阈值特性；综合考虑和整体设计激光器输出光功率和调制带宽的制约参数，实现高功率和高带宽的直接调制激光器。

[器件2—覆盖K～U波段（20～60GHz）微波光子调制的光发射集成芯片] 基于已有研究基础，创新性提出通过单片集成两个DFB激光器与一个半导体环形腔激光器来实现微波光子调制发射集成芯片。两个DFB激光器的输出注入至环形腔激光器的不同纵模，通过亚皮秒速度的载流子带内效应拍频诱发毫米波频率光调制，避免低速的载流子带间复合对微波频率的限制。通过环形腔内行波场之间高效混频实现模式之间相位锁定获得高相干度毫米波频率，由于单片集成消除温差漂移等造成的微波频率漂移。在DFB激光器与环形腔激光器之间集成电光效应相位调制器，通过对DFB激光器的基带数据调制来实现数据对毫米波的调制，无需毫米波调制器。

[器件3—覆盖直流到U 波段（DC～60GHz）的大功率光电探测器] 重点研究单向传输载流子光电二极管(UTC-PD)新型器件结构。通过在p型电极附近制作吸收区，并进一步减小吸收区厚度，缩短光电转换产生的空穴输运距离，通过优化设计，减少能带不连续，避免空穴堆积这一限制带宽和导致饱和的主要因素，同时利用电子加速过冲效应缩短电子渡越时间、利用分离吸收区和收集区以减低电容等措施，增加器件的带宽和饱和功率。在上述基本器件半导体结构优化基础上，将主要优先采用波导光学结构来缓解超薄吸收层带来的低探测效率问题，并优化功率在器件内的分布，同时采用行波电极结构来避免RC时间常数造成的带宽限制。在器件功耗方面将优化结构减小其偏置电压，减小热阻，设计高效散热结构。通过以上措施来综合改进器件性能。

（3）实现多波段可调谐高精细度微波光子信号处理

本项目将发展在多波段、高精细度的微波模拟信号光域处理方法，研究高精细微光域微波处理单元与超稳定可调谐光电振荡微波源等信号处理单元，建立多波段高线性光前端和全波段快速频谱感知系统。

[光域微波模拟信号处理的信号与系统理论与模型] 本项目将在信号与系统层次上建立光域微波模拟信号处理方法。从信号与系统角度看，整个微波前端信号处理系统中超宽带微波信号、中频电信号和光频信号等三种不同信号的波长与系统中处理单元尺寸的比值相差甚大。因此，项目将建立以光波长为尺度的分布式系统模型，从而在光域上建立统一的信号处理模型。同样，将光-电，电-光，光-光等不同性质的非线性效应融入这一信号处理模型，分析各个非线性因素和非线性噪声对系统性能的影响。这个模型可以用于发展光信号处理单元幅度与相位的优化和非线性抑制方法，有利于解决光域微波模拟信号处理的精细控制和高线性这两个关键问题。

[基于硅基集成的高精细可调谐光域微波信号处理单元] 本项目拟基于硅基集成设计并制作高分辨率、任意幅度与相位特性和可调谐的光域微波信号处理单元，利用硅基光波导、耦合器等构成时延、相移、反馈与相干迭加等基本信号处理单元，并利用硅基波导的热光效应实现信号单元的可调谐与重构，制作有限冲激响应（FIR）和无限冲激响应（IIR）信号处理单元。

[基于光电振荡机理的宽带可调谐超稳定微波源] 本项目拟利用现有成熟的光电子器件构建超稳定X波段（8-12GHz)可调谐种子源，输出超稳定相位锁定梳状光谱；量化二次谐波拍频效率与相位锁定梳状谱之间相关性的关系，构建普适性物理模型，利用外围光学标准具滤出不同的边带，在高速探测器上拍频，输出高频射频信号；同步控制振荡腔内滤波器与外围光学标准具的调谐和并行光学标准具间的切换，实现最高频率达60GHz的宽带可调谐微波源。

[多波段可调谐微波光前端系统] 光载微波信号通过光域精细处理后进行平衡相干光检测与下变频接收，将微波信号转化为中频信号，并通过模数转换进行数字处理。利用光子信号处理技术的宽带处理能力，该微波光前端可以实现覆盖L到U全波段（1-60GHz）的超宽带微波信号处理。作为一个模拟信号处理系统，对系统性能影响最大的因素是系统的非线性，抑制非线性的影响是微波光前端设计与实现的关键。项目将采用相干平衡探测与DSP处理相结合，抑制系统非线性;同时光调制器采用双偏振工作，并与DSP处理相结合，抵消两个偏振方向上的同源非线性影响，进一步提高系统的动态范围。

[基于光域频谱压缩的全波段快速感知] 快速感知与协作通信是未来无线通信网络实现高频谱利用率和低功耗的关键。本项目将研究快速全波段频谱感知的压缩光采样技术，它通过光学处理实现50倍以上的频谱压缩比,并结合现有的高速电子模数转换和数字信号处理技术，从而利用低速、高动态范围的模数转换器件实现全频段微波信号的快速感知。项目通过光脉冲时域整形技术将输入微波信号在时域上拉长，由于时域上的展宽等效于在频谱上压缩，经频谱压缩的微波/毫米波信号可用现有的高速电子ADC进行模数转换后由数字信号处理技术分析，得到微波频谱信息。项目将对光子频谱压缩系统进行理论分析和数值模拟研究，从理论上明确此系统可以实现的带宽极限，确定实验系统相关参数；同时研制用于光子频谱压缩系统的大色散量线性色散介质。在此基础上进行光子频谱压缩系统实验研究，并进行光学系统稳定性研究。项目将分析光子拉伸系统的信噪比、非线性等特性并进行系统性能优化；设计与实现高速采样ADC系统和后续数字信号处理系统，包括调制器非线性失真补偿数字信号处理系统的电路设计和调试；研制宽带微波/毫米波频谱感知系统样机，并进行样机系统的性能测试与优化。

（4）实现非线性链路宽带微波光子信号可调控传输

[非线性链路传输理论] 以非线性动力学方程（组）为基本工具，分别以解析形式和定量形式分析非线性光纤链路中的各种参数对模拟微波光子信号的作用，并以不同影响程度进行权值分配，构建一个非线性链路的传输理论模型，使之能够准确反映实际链路中宽带微波信号的传输演变过程与恶化规律。而后，纳入发射机和接收机的非线性因素，以通信质量为准则探讨传输系统的效率，明确其主要阻碍因素与机理，进而探讨在可望缓解及消除这些阻碍因素下，整个链路所能够达到的传输理论极限；并将该理论极限作为传输链路其它研究内容的指标和导向。同时，其它研究内容可以反过来为模型和理论的优化提供参考。

[新型编码与传输机制] 针对微波光子信号的传输机制或编码原理，重点建立和完善以“预失真补偿与后处理、数模混合编码、多重正交/非正交调制、相位调制和相干检测”等为代表的新型传输与编码机制，有效地提高信号对链路非线性的容忍度和传输质量，探索基于多模（多芯）光纤的OFDM-MIMO高频谱效率和大容量传输机制，包括基于单探测器的超宽带接收与处理。

[频谱操控与自适应补偿] 以提高链路动态可重构特性和趋避链路中的干扰及恶化效应为目标，研究各种频谱精细调控技术，包括利用光学非线性效应及光控器件实现频率变换及信号参数调谐，承载多种混合调制格式信号时的频谱分配，以及链路中信号的多粒度灵活交换等。基于以上技术手段，进一步研究微波光子信号传输系统中的有效协同方式，建立能适应各种实时传输需求且能有效保证安全性通信的微波光子链路架构。对链路中的时变线性和非线性恶化效应，以高速频谱分析为主，实现在线快速性能分析与反馈控制，形成闭环机制对链路实施自适应宽带补偿，在光域和电域上采用不同的频谱策略进行补偿。通过上述措施获得最高链路线性度和接近传输理论极限。

（5）完成分布式动态可重构微波光波融合系统的建模与实验

[分布式动态可重构智能光载无线网络的建模] 从分布式天线节点的功能模型、网络的拓扑模型以及有线无线传输链路模型出发，建立宽带泛在感知网络的容量与能耗均衡理论，计算分布式动态可重构智能光载无线网络体系容量与能耗的均衡极限，评估动态控制光微波频率、幅度、相位和空间分布，进行网络编码等方法来迫近均衡极限的效果。以模块化思路建立一套较为完整的仿真模型库，研究复杂拓扑结构下智能光载无线网络的组网以及高功率、多波长情况下模拟光链路动态范围与噪声特性的优化。

[光子射频幅度、相位、频率和空间分布控制] 利用电光转化将射频信号转化为光域内两根谱线，通过控制其中一根谱线的幅度和相位，从而达到控制射频信号幅度和相位的目的；基于光子射频幅相控制，构建光子型有向天线，实现对射频信号空间分布的控制；通过调节泵浦波长，利用高非线性器件里面的交叉增益调制特性和阵列波导光栅（AWG）的波长选择特性，将信号光上的射频信号转移到泵浦波长上，利用AWG处光波长的选择特性实现光域的射频切换。在分布式动态可重构光载无线网络模型的指导下，建立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。针对分布式光载无线网络尚未有高效MAC层协议的现状，并充分考虑光载无线网络的动态可重构属性，提出联合考虑频率和时间双重属性的混合MAC层协议。采用适合于智能光载无线网络的基于需求的联合资源动态调度与灵活分配机制，保障异构环境下联合资源的动态可管控。

[分布式动态可重构系统验证平台] 验证平台采用前述课题研究的高性能半导体电光与光电转换器件以及光生毫米波、滤波、光子射频幅相控制、大动态微波光子链路等传输技术，对整个项目的研究成果进行系统验证和应用展示。本平台采用中心站和分布式接入点的架构，主要包括中心控制单元、光载无线链路、远端天线单元等。其中，中心控制单元不仅为上层接入提供适配接口，而且实现光载无线网络的动态可管控，包括远端感知信号的分析、射频光切换、幅相控制及资源的联合调度和集中管理；光载无线链路主要实现射频信号分布式拉远及远端感知信号的回传，增加信息传递距离，提高通信质量；远端天线单元可放置在不同区域，实现通信环境的感知和射频信号的分发。整个实验平台可以由中心控制单元动态定义远端天线的功能，如形成多个微微蜂窝完成大片区域的覆盖，或由多根天线协同形成虚拟MIMO，获得信道容量的显著提升，完成可支持10Gbit/s的接入速率、融合多种无线接入业务、支持虚拟MIMO扩容技术等特点的低能耗分布式天线演示系统。

3、创新与特色

    本项目围绕如何攻克三个科学问题这一主线开展深入的科学研究工作，并拟在这三个方面取得如下创新：

（1）在增强微波和光波高效线性作用方面提出新方法和新结构，实现覆盖L～U波段的射频光调制、发射及相应的大功率光电探测器件，为微波光子传输和系统提供器件支持。包括：

l [提出创新性的K～U波段（20～60GHz）光载毫米波发射源集成结构]针对目前国际上缺少光载毫米波的光发射集成芯片，提出采用注入锁定诱发锁模实现光学拍频的集成结构，利用基于半导体载流子能带内动态特性的高相干度光学拍频效应，实现毫米波调制，并直接将基带数据的上变频，省去了毫米波本振，避免了电光调制带宽限制，从而实现高带宽高线性的毫米波调制光发射集成芯片；

l [提出实现覆盖L～K波段（1～26.5GHz）高线性模拟直调激光器的新方法] 将芯片潜在带宽与寄生参数综合考虑，提出通过优化器件结构和寄生参数补偿的方法提高模拟直调激光器的性能，突破传统模拟直调激光器带宽低、线性度差的壁垒，实现覆盖L～K波段高线性模拟直调激光器；

l [提出带宽到U波段（60GHz）大功率光电探测的新结构] 针对目前的光电探测结构存在着探测带宽与探测功率相互制约的难题，提出基于超模匹配的方向耦合光波导新结构，在避免RC时间常数造成带宽限制的前提下，实现光电流在波导中均匀分布，克服在波导前端出现的局部饱和吸收问题，以提高光电探测的饱和输出电流，从而实现U波段高功率光电探测；

l [提出基于超常材料的调制器新方案] 针对目前调制器存在着带宽窄（低于40GHz）和线性度低的现状，提出基于电控混合型超常材料的宽带高线性度光调制器结构，将超常材料电磁特性可人为设计的特性引入常规半导体材料，采用变换光学理论，利用超常材料的局域场增强效应增强并调控微波与光波的相互作用，解决在介质材料中微波和光波的传播速度失配问题，提高相互作用效率；并采用超常材料的等效电路理论结合电磁共振的基本原理，将超常材料的结构单元开口环谐振器嵌入到调制器的半导体材料中，利用开口环谐振器的电调谐特性调节并提高调制器的线性度，实现调制带宽达到60GHz的高线性度调制功能。

（2）在非线性条件下光域微波信号的超精细调控与传输研究方面提出新方法和新技术，实现多波段（1～60GHz）高频谱效率的微波光子信号处理与传输，包括：

l [提出基于前馈结构与精细信号处理的多波段微波光子前端新方法] 针对常规反馈结构光锁相环模拟前端的工作频率受限于环路时延，提出一种利用前馈结构和微波信号精细处理相结合的方式，提出一种工作频率可覆盖L-U波段（1～60GHz）的模拟光线前端。在这种结构中，利用硅基光子工艺，设计并制作任意波形与相位可调的光信号处理器，处理频率精细度将达到100MHz,同时采用光域上双偏振调制非线性抵消、光相干平衡检测与电域DSP处理等光电综合处理法来抑制微波光前端的系统中的非线性影响，使光前端在K波段达到达到130dB·Hz^2/3动态范围；

l [提出频谱操控的微波光链路低噪大动态传输方法] 针对传输过程中接入带宽与方式的不同需求以及提高链路抗干扰能力，提出基于频谱操控的动态信道优化方式和保持高信噪比大动态范围的调控方法，以高精细的频谱操控实现动态业务重组，以高速信号调谐提高复杂链路传输或接入环境下的抗干扰能力;

l [提出基于多模空分OFDM-MIMO调制技术的大容量高频谱效率的射频光传输新方法] 针对分布式远端接入单元对高频宽带信号的频谱效率和容量需求，提出以基于多模空分OFDM-MIMO为代表的新型编码调制与传输方式，同时以在线自适应补偿和前后端补偿等技术解决大功率及相位敏感微波光子信号在传输链路中的非线性相关恶化问题。

（3）在分布式环境下微波光波协同与可重构组网的系统模型研究方面提出新方法和新模型，完成多波段、多制式下光子射频切换、幅相控制以及资源的管理与协同，包括：

l [提出分布式动态可重构光载无线网络模型中容量与能耗的分析方法] 以分布式天线节点的功能模型、网络的拓扑模型以及有线无线传输链路模型为基础，提出分布式动态可重构光载无线网络容量与能耗的理论, 获得分布式动态可重构光载无线网络模型容量与能耗的均衡极限，指导新型网络的设计和优化；

l [提出动态可重构光载无线网络MAC层协议的新模型] 针对分布式光载无线网络引入光纤产生额外时延，影响现有无线通信技术MAC层协议且降低现有网络吞吐量性能的现状，提出基于光载无线网络动态可重构属性的MAC层协议的新模型，采用频率和时间双重属性因子的混合MAC层协议，将光纤引入的额外时延考虑进MAC层协议设计中，利用时间同步补偿技术，实现各远端天线单元的逻辑准同步，解决微波和光波协同作用下分布式光载无线网络中多小区多用户宽带化、泛在化接入的问题，提高微波光波融合系统的网络性能，从而实现高效分布式动态组网；

l [提出光子射频切换和频幅相控制新方法] 针对微波幅相控制及频率切换技术速率、扩展性及器件尺寸上的局限，提出基于非线性效应的光子射频切换方法和基于光子平面集成波导技术的光子射频幅相控制方法，高速高效地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；

l [提出智能光载无线网络动态资源分配及功率控制新方法] 针对光载无线网络无线频率资源及光波资源分配不灵活的现状，基于对接入用户数量、位置及业务需求的感知，结合对无线信道及光纤传输对信号损伤的计算，提出用于分布式微波光波融合系统的动态资源分配及功率控制技术。通过对无线信道使用情况的监控，动态地为用户分配信号的传输光波波长、最优接入天线、无线接入频率及发射功率。通过对无线接入频率及发送功率的控制，最大程度地减小信号发送功率以及频分复用信号之间的非线性干扰，为系统资源的动态分配提供更大空间。

4、可行性分析

本项目围绕宽带泛在接入的国家重大需求开展深入研究，所提出的预期目标与创新突破具有可行性，分析如下：

[研究目标明确] 本项目是根据下一代宽带泛在接入网络的国家重大需求确定，拟在新型微波光子器件的理论、设计、制备与核心技术等方面取得原创性理论成果和关键技术突破，在此基础上，已确定了明确清晰的研究目标，包括项目总目标和分解的各课题目标，以及明确的阶段目标，项目组将围绕目标贯彻执行。

[研究思路可行] 本项目针对三个关键科学问题，合理设置五个课题，提出有针对性的研究方案和技术途径，解决宽带泛在的低功耗信息传输问题。现已经过了多角度、多层面论证，尤其是已对其中的若干关键方案进行了仿真分析和局部实验，证明思路可行。同时为使本项目的研究成果具有更好的应用前景，本项目提出的核心机理机制和关键方法都将在综合实验验证平台上进行科学验证。

[研究基础扎实] 在国家和国际合作项目的支持下，本项目团队已开展了大量的前期研究工作，包括理论、器件、模块、系统等，并构建了良好的研究环境与科研平台，为本项目的实施奠定了坚实的基础。<, /FONT>