[发明专利]一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件

说明书

技术领域

本发明属于微波光子学领域的光电子器件制备技术范围，尤其涉及一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件。

技术背景

采用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其应用范围十分广泛，包括无线局域网、天线远程控制等。下面首先简要介绍高频微波或者毫米波在无线通信中的重要性，然后介绍光电子技术在毫米波无线通信中的应用。

近年来，随着光纤网络和互联网络(Internet)的不断发展，以Internet为载体的语音、图像、数据、视频、以及多媒体业务大大刺激了人们对于通信速率的需求。以波分复用技术(WDM)为基础的光纤通信技术迅速发展并得到广泛应用，已成为干线系统物理层最为有效的传输手段。例如，我国长途传输网中光纤通信的比重已超过80％。长途干线的通信容量由于采用光纤通信技术而大大提高，单根光纤的数据容量已经可以高达10 Tb/s。另一方面，连接用户终端与干线光纤网络的接入网的通信速率却还处于较低的水平。例如，目前采用的综合业务服务网(ISDN)的通信速率为128 kb/s，非对称数字用户环线(ADSL)的通信速率为上行1 Mb/s，下行8 Mb/s，而IEEE802.11标准规定的无线接入速率最大为55 Mb/s。以上的接入技术由于接入速率较低，难以支持支持高速无线局域网、IEEE 1394无线链路、固定的无线接入系统和家用电视传输系统等多种业务的需求。处于整个通信链路之中的“first mile”(或称为“last mile”)的接入网成为了高速通信技术的瓶颈，因此下一代高速接入技术成为近年来研究的热点。

在各种接入技术之中，高速无线接入技术由于具有终端可移动的灵活性而备受关注。提高传输速率最为行之有效的方法是采用频率更高的电磁波作为通信载波，因此使用比目前移动通信载波(800 MHz～1.9 GHz)频率更高的毫米波(30GHz～300 GHz)，可以支持传输速率超过Gb/s的高速无线接入。在毫米微波波段中，频率处于60 GHz附近的电磁波更被认为是进行高速语音、数据通信，甚至支持Internet的最佳选择。原因主要是由于60 GHz波具有以下的特点：    

1.处于自由运行(unlicensed operation)波段：在2001年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)留出57～64 GHz的毫米波波段作为商用无线通信应用。

2.传输距离短：60 GHz波段处于氧气的强吸收区域，其吸收损耗高达16dB/km。

3.方向性好：由于60GHz波的频率较高，因而波束发散角度很小，其99.9％波束能量发散角仅为4.7°。

由于60GHz毫米波具有上述特点，在应用于高速无线接入业务时具有如下的优点：

1.由于60GHz波具有7GHz的连续自由运行带宽，因而可以支持高达2.5Gb/s的传输速率。同时，在应用60GHz无线进行接入服务时，运营商无需花费大量的时间和金钱来向政府办理运营执照，从而可以有效地降低运营成本。

2.由于60GHz波传输距离短并且方向性好，因此难以被窃听，具有高度的保密性。

3.同时，60GHz波大气吸收强烈和波束发散较小，使得在一个较小的区域内由同一个频率同时支持多个用户或是在不同的区域内同时运行不同的业务，而不需要考虑互相间的串扰。因此用户间串扰低，并可以实现频率的重复使用。

正是由于毫米波段的微波在高速无线通信方面展现出的潜力，美国、日本、德国等多个国家目前都在进行毫米波无线接入技术的研究，其中核心的研究内容包括接入网系统结构、毫米波的产生和传输技术。

由于毫米波具有极高的频率，如果采用传统的同轴电缆进行传输则其损耗十分严重。同时，采用电域的方法产生和处理毫米波信号也存在成本较高的问题。一个有效的解决方案是将毫米波无线接入与光波技术相结合，利用光波作为载波传输毫米波信号，可以有效的降低其传输损耗，即通常所说的RoF(Radio overFiber)技术。同时，可以利用光波技术实现毫米波信号的产生，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。