微波光子异质/异构集成技术

微波光子芯片是支撑微波光子学发展的基石。针对微波光子芯片材料体系多样、难以多功能集成等问题,异质/ 异构集成技术提供了一种有效途径。该技术可将不同材料体系的最优性能器件集成到同一芯片上,大大扩展微波光子芯片的功能,降低微波光子功能模块的体积、重量,并提高其性能稳定性。本文介绍了目前主流的微波光子异质/ 异构集成技术和光电混合集成方面的主要研究进展,并对未来发展趋势进行展望。     

基于光子芯片的微波光子混频器 （特邀）

提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。     

集成微波光子射频前端技术北大核心

微波光子射频前端具有频率覆盖范围大、工作波段和瞬时带宽可灵活重构、抗电磁干扰等优势,在泛在无线通信、软件无线电、雷达和电子战系统中有着广阔的应用前景。为进一步减小系统的尺寸和功耗以满足实际应用的需求,构建基于光子集成芯片技术的微波光子射频前端微系统势在必行。文章分析了集成微波光子射频前端微系统目前在器件层面和系统集成层面面临的挑战,并从高精细、可重构的光滤波器设计、混合集成系统架构设计和系统频率漂移抑制方案三个方面重点介绍了作者所在课题组开展的关于混合集成可重构微波光子射频前端的研究现状。     

小型化高集成宽带光收发组件

当前分立光子器件的体积和成本严重制约着微波光子技术在雷达系统中的应用。受限于当前的集成能力和材料体系,微波光子单片集成芯片短时间内难以实现工程应用。为满足雷达等应用场景对高集成微波光子器件的迫切需要,研制了一种新型小型化高集成光收发组件。该组件采用光电异构集成封装技术,将MZM调制器芯片、微波芯片、探测器芯片以及光环形器、波分复用器进行高度集成,单模块体积仅为85 mm×35 mm×10 mm,与传统MZM调制器体积相当。实验结果表明,其性能可与传统分立元器件相媲美。在6~18 GHz范围内,组件能够实现±1.5 dB的平坦度,上行能够实现18 dB以上的增益,下行能够实现?1 dB以上的增益,且链路噪声系数小于30 dB,平面化、小型化设计使其能够应用于相控阵雷达、电子战等多种应用场景,具有广阔的应用前景。     

微波光子技术在雷达相控阵中的应用分析与展望

近年来,微波光子技术在雷达、通信和电子对抗中的应用得到了越来越多的关注。本文简单介绍了微波光子技术的发展情况和优势,对微波光子技术在雷达相控阵工程应用中存在的光电/ 电光转换损耗大、集成度低、通道一致性差、成本高昂等问题进行了探讨,给出了微波光子技术在雷达相控阵中三种典型的应用场景,并针对目前存在的问题,提出了促进微波光子雷达相控阵推向工程应用的关键技术,包括高效的电光/ 光电转换、高性能的射频光传输和光电混合集成等。希望通过关键技术的突破,促进微波光子技术在雷达相控阵中实现大规模工程应用。     

硅基片上集成二维光控多波束形成的研究

传统雷达系统在当今日益复杂的电磁环境中面临严重挑战,而集成微波光子学技术可突破传统雷达的技术瓶颈,具有大带宽、高分辨率、高复用度、高集成化等技术优势。本文基于集成微波光子技术,研制了一款硅基集成二维光控多波束形成系统样机,提出了一种基于二氧化硅平面光波导的片上集成二维光控多波束形成系统架构,结合流片加工平台完成了关键光芯片的设计流片和封装测试,最终完成系统样机整机联调测试,并对实验结果进行理论计算处理,验证了硅基集成波束形成系统的关键性能指标。系统具有大瞬时带宽、二维同时多波束、各波束多波位独立扫描的能力,与此同时兼具硅基光子集成技术的小型化、轻量化、低成本等优势,试验结果验证了集成微波光子技术应用于雷达系统的先进性和应用潜力。     

前言北大核心

随着光子技术在光纤通信、微波光子学、激光雷达、量子信息处理等领域的广泛应用,光子和光电子集成的重要性日益突显,成为解决相关应用面临的体积、功耗和成本瓶颈的关键。实际上,早在20世纪60年代就提出了集成光学的概念。受到集成电路(IC)技术的启发,提出了光子集成回路(PIC)和光电集成电路(OEIC)的概念,期望通过集成技术来增强光电子器件的性能,减小体积和功耗,并提高可靠性。然而,相比于集成电路芯片的迅猛发展,光子和光电子集成由于面临材料和工艺等一系列挑战,直到近十余年才实现突破。目前,大规模光子集成技术正在逐渐走向实用化。     

异质集成微波光子器件发展现状

微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理及控制,可突破传统微波技术在带宽、传输损耗和抗电磁干扰等方面的瓶颈,提升雷达、电子战等信息系统的综合性能.激光器、电光调制器和光电探测器是微波光子技术中的三种核心光电子器件,其性能对微波光子链路的噪声和动态等指标具有决定性的影响,但基于分立器件的微波光子系统体积、重量较大,难以满足雷达、电子战等系统的阵列化需求,硅基异质集成技术以及高密度低损耗片上光传输互连技术是解决有源器件集成和无源器件集成的关键技术.文章介绍了用于微波光子的硅基激光器、电光调制器、光电探测器和波导的异质集成技术的发展现状,并探讨了集成微波光子技术的发展趋势.     

硅基微波光子波束形成器研究进展

微波波束形成器是相控阵雷达、5G通信基站等射频发射系统中的核心器件。近年来硅基微波光子波束形成器以其带宽大、尺寸紧凑、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优势成为微波光子学中的研究热点之一。文章从微波光子波束形成的基本原理和性能指标出发,总结了近年来应用于微波光子波束形成器的多种集成可调光学真延迟线结构和波束形成网络架构,并介绍了微波光子波束形成系统集成芯片和自动化控制的最新进展,最后对硅基微波光子波束形成器的未来发展进行了展望。     

微波光子技术应用现状及趋势

详细介绍了微波光子技术的基本内涵、发展现状和技术优势.从雷达、电子战以及通信三大典型领域的发展历史详细介绍了微波光子技术的具体应用状况,全面分析了微波光传输与处理技术特征与电子信息系统性能提升的内在关系.结合电子信息系统的发展趋势和瓶颈问题,提出基于微波光子技术的解决思路,以期对未来微波光子技术的发展和应用方向提供有意义的指导.     

基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统

该文提出一种新的基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统方案。发射机利用微波光子倍频技术产生宽带线性调频信号,接收机利用偏分复用-双驱动马赫曾德尔调制器,将回波信号同时输入到两个不同偏振态的调制器上,并通过调节对应调制器的偏置电压在两偏振态之间引入90°相位差,从而实现微波光子I/Q去斜接收。此雷达在具备实时高分辨探测能力的同时,能区分参考点两侧的目标,解决了现有微波光子雷达接收机采用光子混频去斜接收中受镜频干扰导致距离向模糊的问题。该文首先论证了采用I/Q去斜接收的必要性,随后介绍了所提出的微波光子雷达结构与原理,最后开展了目标探测与逆合成孔径雷达成像的实验研究。该雷达工作在K波段,带宽为8 GHz。结果表明该系统可以有效解决镜频干扰引起的距离向模糊。      

TiAl基合金表面激光重熔MCrAlY涂层组织结构及抗氧化性

采用等离子喷涂工艺在TiAl基合金表面制备NiCoCrAl-Y2O3涂层.并用激光重熔工艺对涂层进行处理.用SEM、XRD对激光重熔前后的试样进行检测,分析了涂层的微观组织结构以及物相成分组成,同时对涂层进行高温氧化试验.结果表明,等离子喷涂后的涂层组织较致密,但仍存在孔洞等缺陷.激光重熔后涂层的组织结构进一步均匀、致密,晶粒得到细化.激光重熔过程中,涂层中Al元素上浮,并部分氧化生成Al2O3相.这两方面均可有效"阻碍"氧离子向内扩散和金属阳离子向外扩散,使重熔后涂层的高温抗氧化性能得到较大地改善.     

超低相噪光电振荡器及其频率综合技术研究

该文提出一种基于级联相位调制器的注入锁定光电振荡器及其频率综合系统。该文提出的光电振荡器利用相位调制实现调制器输出光谱展宽并保持光纤中传播功率恒定,降低光纤非线性效应引入的强度噪声。采用双输出MZI级联平衡探测器的结构完成相位调制到强度调制的转化,提高系统的信噪比,实现频率为9.9999914 GHz、边模抑制比大于85 dB、10 kHz频偏相位噪声为–153.1 dBc/Hz的超低相位噪声信号输出。此外,还基于所提出的超低相位噪声光电振荡器构建了宽带、高性能频率综合系统。联合DDS和PLL的混合锁相技术,所提出频率综合器的输出频率成功覆盖5.9～12.9 GHz,相位噪声达到–130 dBc/Hz@10 kHz,杂散抑制比优于65 dB,跳频时间小于1.48 μs。      

Robust adaptive beamforming for broadband arrays

It is very important in many applications to preserve a desired signal without distortion. This paper presents a robust adaptive beamforming method to extract a desired signal from the signals received by broadband arrays. The proposed method relaxes the requirement of approximate knowledge of the desired direction and the sensor gains and delays (phases). Also the method enhances the desired signal based on a focusing transform for that signal, requires less computation than the taped-delay-line beamforming method, and provides good results even in a multipath environment. Computer simulations are given to support the proposed method.On leave from the Department of Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, People's Republic of China.Nanjing 210016, People's Republic of China.     

Sensor location calibration for bearing estimation

New calibration methods are presented for bearing estimation with sensor location uncertainties, which are based on eigenvalue decomposition of the sample covariance matrix and three or more nondisjoint sources in known bearings. The methods can be applied to arbitrary arrays, including linear arrays, require fewer computations, and are suitable for low signal-to-noise ratio (SNR) cases. Computer simulations are given to illustrate the performance of the proposed methods.Supported by National Science and Technology Board of Singapore.On leave from the Department of Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, People's Republic of China.     

Simple unified algorithm for estimating and tracking location of desired talker by microphone arrays

In this paper, we discuss a unified approach and its simple algorithm for estimating and tracking the location of the desired talker in the far field and the near field by microphone arrays. The approach is unified for the far field and the near field and can enhance the effective power of the talker's signal. The simple algorithm further avoids singular-value decomposition (SVD) computations and is suitable for real-time processing. Computer simulations and experiments using actual array data support the techniques.Financial support from National Science and Technology Board of Singapore.On leave from the Department of Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, People's Republic of China.     

Direction finding of coherent sources with nonlinear arrays

This paper presents an approach to estimate the directions-of-arrival (DOAs) of narrowband coherent (completely corrected) signals by an arbitrary geometry sensor array. The concept of focussing matrices is introduced to estimate the outputs of a virtual uniform linear array from the outputs of the real array in order to use spatial smoothing techniques. Unlike the work presented in [5], the proposed approach avoids multiple singular value decomposition (SVD) computations in the various sectors because it is not necessary to divide the field of view of the array into sectors. Simulation results are given to support the approach.On leave from the Department of Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, People's Republic of China.     

New range alignment algorithm for ISAR based on high order moment

A new technique is proposed for range alignment in Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR). The basic idea is to perform range alignment using a maximum kurtosis (fourth-order central moment) criterion. After maximizing the kurtosis of the combined range profile of two adjacent echoes, the amount of range shift between them can be automatically tracked out. The combined range profile is constructed by a max operation, which only reserves the larger elements of the two echoes, and the echoes’ amplitudes are limited before they are combined. This algorithm has been used to process real ISAR data and the results demonstrate the effectiveness of the method. Compared with the correlation method and the minimum entropy method, the proposed algorithm obtains much better results in both examples in this paper. Its computation complexity has the same order of magnitude as the minimum entropy method.     

面向海面目标检测的陆海分离和海面分区算法研究

自适应检测技术可有效提升岸对海警戒雷达海面目标探测性能,但海岛和陆地会导致成片或离散强杂波点,污染协方差矩阵估计的样本,海杂波的复杂性使得整片海杂波难以采用单一模型描述。为解决海面目标自适应检测时面临的非均匀样本参与协方差矩阵估计时杂波抑制性能严重下降问题和海杂波建模准确性不高的问题,该文提出一种面向海面目标检测的陆海分离和海面分区算法。首先,根据陆地回波序列的相位之间具有强相关性,而海洋回波序列为随机值这一特性,区分陆地杂波和海杂波;然后,根据擦地角对海杂波分区,拟合出每个分区的最优分布后选择合适的检测器进行自适应检测;最后,基于某S波段雷达实测数据验证该算法,检测结果与性能分析表明该算法相对传统算法可有效提高海面目标的检测率。      

微波光子相控阵的技术分析与展望

该文探讨了相控阵雷达的发展需求,提出了基于微波光子技术的新型相控阵的架构形式和技术路线。针对其工程实现,凝练了当前所面临的主要科学问题和重大技术挑战,并对未来的研究工作和该领域的发展进行了展望。