毫米波光载无线系统的结构优化

四波混频(FWM)效应是一种非线性效应，目前已经有在高非线性光纤和半导体光放大器(SOA)中的应用来实现频率的加倍[5-8]。而在强注入条件下，可利用注入锁模分布反馈 (DFB)激光器中的FWM效应来实现频率的三倍频。

在这种方法下，通过直接调制或者间接调制实现注入的种子光，利用注入锁定来增强所需要的模式。图7(a)给出了相应的实验装置原理图。图7(b)比较了从DFB激光器的输入光信号和输出的FWM信号，对于输入信号来说，二阶边带比一阶边带低30 dB以上，直接拍频的60 GHz几乎没有。而通过FWM效应，长波长处的二阶边带被放大了25 dB，同时被放大的还有注入锁定的长波长的一阶边带。图7(c)是拍频的60 GHz电信号，其在偏移100 kHz处的相位噪声在-95 dBc/Hz以下，同时信号质量与参考的20 GHz射频源相比只有5 dB的损伤，见图7(d)，利用这种方法也能产生高质量的毫米波信号。

此外，更低频率的参考源10 GHz也可以被使用来实现60 GHz的毫米波信号，实验结果表明其在偏移100 kHz处的相位噪声在-90 dBc/Hz以下，同时相比参考源只有10 dB的相位噪声损伤。

2、下行链路基带信号光学上变频部分及传输性能的结构优化

传统的RoF系统中，由于直接采用了微波射频源，其对下行基带信号的上变频采用高频的混频器即可，然后再将混频后的微波信号利用外调制器调制到光载波上。而对于毫米波RoF系统，由于毫米波射频源的昂贵，在毫米波产生部分已经采用光外差法，则在基带信号上变频方面需要进行相应的改动。

对于外调制器法，可以利用多加入一级光调制器来实现基带信号的上变频。而在FP激光器双模注入锁模方式中，则可以利用对FP激光器的电流直接调制实现基带信号的上变频。

上述两种基带信号上变频方法，最终实现的均是对光相干双纵模的双模调制，即两个纵模上都带有基带信号。而在毫米波RoF通信系统中，光纤色散损伤(特别是1.55 um处)会对系统中光信号的作用距离加以限制。虽然相比传统的光双边带调制(DSB)，采用双模调制对于传输距离的色散损伤限制要弱些，但仍不如传统的光单边带调制(SSB)[9]。

目前实现高频的单边带调制或者类似的单纵模调制已有的方法有DSB调制加滤波法[10]、光外差法分波后单独调制一个纵模[11]、强注入锁模DFB激光器的选择性放大作用[12]，其中文献[12]的方法需要DFB激光器有极高直调频率响应。最近一种实现基于DFB激光器单模锁模的、类似于SSB调制的单模调制新方法被提出[13]，下行的基带信号可以被主要调制到光双纵模中注入锁模的纵模上，从而大大克服色散损伤的影响。

具体的实验装置和实验原理图见图8(a)所示，图8(b)中给出了光信号传输22.2 km单模光纤后的接收到的毫米波功率随基带调制频率的变化(测试的中心频率为54 GHz，采用一阶边带单模注入锁模)，可以看到单模调制在对抗色散的影响方面较双模调制有很大的优势，双模调制在基带频率为3 GHz处有一个很大的射频功率衰落，而单模调制则变化不大。最后调制输出的光谱见图8(c)，而对比外调制法中加一级调制器上载基带数据后的光谱图如图8(d)所示。从图8(c)可以看到，由于注入锁模效应，当改变从DFB激光器的电流时，被注入锁定的模式(1 550.39 nm)调制度较大，而另外一个未注入锁定的模式(1 550.82 nm)调制度较小，两者相差22 dB以上。此外，基于60 GHz毫米波的RoF单模调制2.5 Gb/s数据传输也进行了实验，采用G.652单模光纤，传输距离为50 km，传输后眼图仍然较为清晰，可实现无误码传输。而如果采用双模调制，则无法获得眼图信号。

3、上行链路中信号下变频部分的优化

在传统的RoF系统中，用户终端接收到的微波信号转换成基带信号的一般做法是在基站或中心站利用混频器在电域将其下变频。而对于毫米波RoF系统，由于毫米波射频源的昂贵，就需要对系统结构进行优化以节省成本。

一种优化手段是在基站利用高速电吸收调制器[14]，通过对下行链路中空闲的、频率间隔与毫米波频率相同的光相干双纵模信号的调制，然后直接检测低频基带信号即可实现上行信号的下变频。

另一个可行方法是利用注入锁模DFB激光器来实现光下变频。其实验原理装置图见图9(a)。目前已经有很多研究证明了在强注入锁定下，DFB激光器或者垂直腔面反射激光器(VCSEL)可以大大提高激光器的频率响应[15-16]。同时本文前面也说明了双模注入锁模可以大大提升半导体激光器的频率响应。在注入锁模DFB激光器来实现光下变频的实验中，通过注入锁模，DFB激光器的直调频率响应从自由振荡的5 GHz提高到了超过20 GHz。如果将纵模间距为毫米波频率的光相干双纵模信号从中心站发送到基站并注入锁定DFB激光器，同时将基站接收到的天线信号调制该DFB激光器，则注入纵模的调制后的边带将落在另一个纵模的基带，由于两个纵模是相干的，于是直接进行光滤波则可将中频或者基带信号获得。这样就可以在不需要在高速光电二极管和混频器的条件下进行毫米波信号的下变频。