1.2.3 外調(diào)制器法

外調(diào)制器法一般都是使用某種 EOM 實現(xiàn)光載波調(diào)制，比如相位調(diào)制器（Phase Modulator，PM）、馬赫·曾德爾調(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）和光電振蕩器（Optoelectronic Oscillator，OEO），然后利用PD拍頻生成毫米波信號的方法。隨著EOM研發(fā)和制備技術(shù)不斷成熟，該方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，具有較高的可靠性，實現(xiàn)成本不斷降低。

1992年，O'Reilly等人最先提出利用強度調(diào)制器的載波抑制法產(chǎn)生毫米波技術(shù)，他們用LiNbO₃調(diào)制器將18GHz微波調(diào)制到激光上，再用光電探測器將已調(diào)信號的上下兩個邊頻進行拍頻，得到36GHz的毫米波。這樣的系統(tǒng)被用于遠程視頻傳輸中。1994年，他們提出利用電光調(diào)制生成四倍頻的毫米波信號方案。與二倍頻的方法不同，該方法是利用光強度調(diào)制器的二次響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)MZM 的偏置電壓實現(xiàn)對光載波一階和三階光邊帶抑制調(diào)制，則可以實現(xiàn)利用一個15GHz的驅(qū)動電信號通過MZM獲得60GHz的毫米波信號。然而，為了確保在光電探測器輸出端獲得干凈的毫米波信號，將利用一個非平衡的馬赫·曾德爾調(diào)制器抑制不需要的光譜成分，該濾波器的自由光譜范圍（Free Spectral Range，F(xiàn)SR）等于MZM輸出的兩個二階光邊帶的頻率間隔。2005年，姚建平小組提出利用高功率的射頻信號驅(qū)動LiNbO₃調(diào)制器，并結(jié)合FBG濾波器實現(xiàn)載波抑制調(diào)制以獲得兩個二階光邊帶，最后在光電探測器中拍頻以實現(xiàn)四倍頻，實驗獲得32～50GHz的帶寬可調(diào)毫米波信號。2003年，P.Shen等人提出基于PM產(chǎn)生60GHz毫米波的方法。該方法利用一個F-P濾波器來選擇兩個二階光邊帶，利用PD拍頻獲得毫米波信號。2005年，Qi等人用RF信號對單個光波進行相位調(diào)制，射頻調(diào)制信號的頻率從18.8GHz調(diào)到25GHz，通過PD將已調(diào)信號的上下邊帶進行拍頻，分別獲得37.6GHz，50GHz，75.2GHz，100GHz的毫米波信號，系統(tǒng)如圖1.10所示。

圖1.10 基于相位調(diào)制器生成毫米波系統(tǒng)

因為MZM具有帶寬較寬、可抑制啁啾性能、波長獨立等優(yōu)點，目前在光通信領(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用。2005年，Mohmoud Mohamed等人基于兩個級聯(lián)MZM 和光濾波器獲得六倍頻的毫米波信號。姚建平等人提出并實驗驗證了一種基于兩個級聯(lián) MZM 和光可調(diào)諧移相器獲得八倍頻的毫米波信號的方法。2006年，M G.Larrode等人提出基于PM和馬赫·曾德爾干涉儀（MZI）的光生毫米波方案，并實驗驗證不僅能生成 40GHz 的光載毫米波，還實現(xiàn)了將16-QAM和64-QAM的數(shù)字信號加載到光載副載波上通過25km的單模光纖傳輸。2007年，湖南大學(xué)余建軍等人提出基于強度調(diào)制器雙邊帶調(diào)制的毫米波生成方案，實現(xiàn)了 40GHz 的全雙工光載毫米波系統(tǒng)。他們在中心站利用頻率為10GHz的RF信號驅(qū)動MZM，通過MZM的雙邊帶調(diào)制方式可以生成40GHz的毫米波信號，然后利用 20km 的單模光纖傳輸?shù)交荆ㄟ^ PD 拍頻后生成毫米波傳輸給用戶。同時，在基站生成的毫米波作為上行鏈路的本振信號，減少了上行鏈路的本振信號源，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能。2009年，北京郵電大學(xué)張晶等人提出并實驗驗證了一種基于雙平行馬赫·曾德爾調(diào)制器（Double-Parallel Mach-Zehnder Modulator，DP-MZM）獲得六倍頻的毫米波信號方案。2010年，馬建新等人提出并實驗驗證了一種基于DP-MZM獲得八倍頻的高頻毫米波信號方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.11所示。清華大學(xué)李沫等人提出并驗證了一種基于兩個級聯(lián) MZM 并利用 SOA 獲得十二倍頻的高頻毫米波方案。2011 年，中國臺灣國立交通大學(xué)提出一種基于兩個級聯(lián) DP-MZM 生成八倍頻毫米波的技術(shù)方案。2013年，張方正等人提出并實驗驗證了基于DP-MZM的超寬帶毫米波生成方法。該系統(tǒng)包含了連續(xù)光激光器、DP-MZM、光帶通濾波器（Optical BanDpass Filter，OBPF）和PD，該方法生成了一個頻率為25GHz的微波信號，-10dB帶寬為5.5GHz。2014年，李等人提出基于級聯(lián)PM生成毫米波方案。然而，該方案利用一個F-P激光器腔對兩個連續(xù)波長激光器輸出光波進行相位鎖定，從而限制了生成毫米波信號的頻率變化范圍。2016年，高永生等人提出并驗證了利用一個連續(xù)波長激光器和一個PM獲得可調(diào)諧毫米波的系統(tǒng)方案，該方案能獲得從10GHz到120GHz的可調(diào)諧毫米波信號。

外調(diào)制器毫米波生成除了以上幾種方案，還有一種比較受歡迎的毫米波生成方案，即基于OEO的毫米波生成方案。OEO不僅具有良好的可調(diào)諧性能，而且能對光波進行鎖相，所以比較容易產(chǎn)生高質(zhì)量的上百GHz的毫米波信號，系統(tǒng)具有較小的相位噪聲。與傳統(tǒng)的光注入鎖定技術(shù)、光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)相比，基于OEO的毫米波生成系統(tǒng)不需要參考微波源。

圖1.11 基于DP-MZM的光生毫米波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1982年，Neyer等人首次提出基于光電振蕩器的毫米波生成系統(tǒng)，主要包含小線寬的激光源、電光調(diào)制器、光濾波器、光放大器和光電探測器等器件。1996年，X.Yao等人完成了對光電振蕩循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架的理論分析，通過實驗驗證了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，并對各個組成部分進行了優(yōu)化。早期的光電振蕩循環(huán)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，實用性非常差。2011年，姚建平團隊提出一種基于 OEO 結(jié)構(gòu)生成可調(diào)諧毫米波的系統(tǒng)方案。該方案采用一個相位調(diào)制器，一個波長可調(diào)諧的光濾波器，光相位調(diào)制器和移相光纖布拉格光柵濾波器。傳統(tǒng)的基于 OEO 的生成毫米波系統(tǒng)一般包含電光調(diào)制器、光電帶通濾波器、光電探測器和移相器（Phase Shifter，PS）等光電器件，因此這些光電器件的頻率帶寬對毫米波的最高頻率產(chǎn)生了極大的影響。為了解決頻率受限的問題，2014年，清華大學(xué)王強等人提出并實驗驗證了一種基于OEO倍頻生成100Gbit/s的時分復(fù)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.12所示。該系統(tǒng)誤碼率為10-9，功率損耗為-2.4dB。2016年，中國臺灣Chung Yi Li等人提出基于MZM的光電振蕩系統(tǒng)來獲取毫米波信號的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)下行鏈路分別為 10-Gbit/s/30-GHz，15-Gbit/s/50-GHz，20-Gbit/s/60-GHz，25-Gbit/s/100-GHz 的信號傳輸。然而，現(xiàn)有大多數(shù)報道的基于 OEO 的生成毫米波技術(shù)方案不利于高頻毫米波信號的生成，主要原因是 OEO 對光電帶通濾波器質(zhì)量要求很苛刻，并且調(diào)制頻率受到電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬限制。

圖1.12 基于OEO結(jié)構(gòu)生成毫米波系統(tǒng)