1.2.4 四波混頻法

利用非線性效應產生毫米波信號的方法是近年來提出的一種新技術，即利用光學器件的非線性效應產生新的頻譜分量生成毫米波。此類方法易于實現高倍頻毫米波信號，極大地簡化了系統結構，并利于系統集成降低成本。國內外已有很多研究機構提出了基于不同的非線性效應產生毫米波的解決方案，主要包括自相位調制（Self-Phase Modulation，SPM）、交叉相位調制（Cross-Phase Modulation，CPM）、四波混頻（Four Wave Mixing，FWM）、受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）等。其中，基于四波混頻效應的光生毫米波技術因其對調制信號的速率和調制格式無關，且所產生的光載毫米波信號具備在傳輸鏈路中無功率周期性衰落效應、響應速度快、轉換速率高、能實現多個波長變換和偏振不敏感等優勢，成為一種極具潛力的光生毫米波方法，具有廣闊的應用前景。目前的研究熱點主要是基于半導體光放大器、高非線性光纖（High Non-Linear Fiber，HNLF）和非線性晶體等介質的四波混頻效應來產生毫米波信號。其中，本書將基于半導體光放大器產生的四波混頻效應簡稱為SOA-FWM，基于高非線性光纖產生的四波混頻效應簡稱為HNLF-FWM。

1.2.4.1 基于半導體光放大器的四波混頻法研究現狀

2006年，加拿大渥太華大學姚建平團隊提出基于SOA-FWM產生六倍頻毫米波信號的系統方案，實驗利用5.6GHz射頻驅動信號可獲得33.6GHz的光生毫米波信號。2007年，韓國光州技術學院Kim等人基于SOA-FWM利用2.5GHz的光中頻信號和37.5GHz本地光振蕩信號混頻而獲得40GHz光生毫米波信號。2011年，Kim等人提出一種基于SOA-FWM的全光毫米波生成實驗方案，實驗利用八路2.5GHz的輸入信號被同時調制到26.5GHz的光生毫米波信號上，沒有出現嚴重的碼間串擾現象，且信號功率損失小于 2.7dB，適合于波分復用光纖無線電系統。2013 年，加拿大拉瓦爾大學 Beno r?t 提出正交調幅信號基于SOA-FWM的波長變換生成毫米波信號方案。

在國內，相關方面研究也取得一些研究成果。2009 年，清華大學李沫等人提出基于 SOA-FWM 的全雙工光生毫米波系統，如圖 1.13 所示。該系統利用15GHz射頻信號驅動MZM，通過載波抑制調制獲得間隔為30GHz的泵浦波信號，信號光波和泵浦波混合后通過SOA-FWM實現波長變換獲得兩個閑頻波。

實驗中，他們選擇一路閑頻光信號作為上行鏈路的光本振信號與另一路光生毫米波信號一同傳輸到基站，然后通過光電探測器混頻獲得60GHz毫米波信號。此系統實現了分布式光本地振蕩信號再利用，上行鏈路中減少了電光本振器的應用，利于簡化系統結構，有效減少系統噪聲干擾，是典型的基于SOA-FWM的光生毫米波實驗系統。同年，湖南大學余建軍團隊提出了一種偏振不敏感、基于SOA-FWM的毫米波信號生成方案。該方案采取單邊帶調制技術有效減少了光纖色散的不利影響，增加了傳輸距離。同時，因采用雙泵浦結構而具有偏振不敏感、波長穩定性高、對射頻信號和光學元件的帶寬要求低等優點。2012年，北京郵電大學提出一種基于SOA-FWM的雙向光生毫米波系統新方案，即基于差分馬赫·曾德爾調制器（Differential Mach-Zehnder Modulator，DMZM）固有的非線性特性，結合 SOA-FWM 機制產生60GHz 毫米波信號。其優勢是實現結構簡單靈活，構建成本低。不足之處是使用環形光路較多，影響光能轉換效率，增加了相位噪聲。2013年，電子科技大學項宇等人提出兩組正交偏振的泵浦波利用SOA-FWM獲得10個新頻率光波的光生毫米波方案，可應用于多基站光生毫米波系統的多路毫米波信號生成。2015年，北京郵電大學提出不歸零正交相移鍵控（Non-Return-Zero Quadrature Phase-Shift Keying，NRZ-QPSK）信號基于SOA-FWM的多信道同步傳輸系統，并驗證了兩個速率為25Gbit/s的NRZ-QPSK信號通過SOA-FWM效應可以產生多種不同頻率的光生毫米波信號。

1.2.4.2 基于高非線性光纖的四波混頻法研究現狀

2008 年，丹麥科技大學提出采用一種基于新型橢圓保偏纖芯的HNLF-FWM效應，實現640Gbit/s數據信號的全光波長轉換方案，該方案能達到零誤碼率且平均接收偏振敏感保持在-3dB 左右。2010 年，新加坡南洋理工大學王大偉等人分別對基于SOA-FWM和HNLF-FWM效應實現的多信道波長變換在減小偏振敏感方面進行比較分析，在輸入信號功率較大時，HNLF比SOA的偏振不敏感性強，且對于輸入信號分別為OOK（On-Off Keying）信號和PSK （Phase Shift Keying）信號時，使用HNLF進行波長轉換產生的功率損耗要小于使用 SOA。2015 年，日本東海大學 Sharif 等人提出并驗證了一種基于HNLF-FWM 實現歸零差分相位鍵控（Return-Zero Quadrature Phase Shift Keying，RZ-QPSK）信號的波長變換方案，且該方案允許泵浦信號的帶寬可調諧。同年，加拿大國家科學研究院 María R 提出一種基于 HNLF 的交叉相位調制（Cross-Phase Modulation，CPM）和四波混頻效應聯合作用進行全光上下變頻的理論方案，該方案理論證明可通過激發HNLF的CPM效應產生短時的全息影像，從而在不需要相位匹配條件下進行FWM以實現毫米波生成。

國內研究雖然起步較晚，也有一些代表性的成果。2010年，湖南大學余建軍等人提出基于非線性鉍基光纖的FWM效應實現全光上變頻生成60GHz毫米波的技術方案，如圖 1.14 所示。他們利用 30GHz 射頻信號驅動強度調制器（Intensity Modulation，IM）獲得間隔為60GHz的兩個泵浦光，兩個泵浦光和10Gbit/s開關鍵控信號混合經過2m長鉍基光纖的FWM作用后，在信號光兩邊生成間隔同為60GHz的兩個閑頻光。通過濾波器過濾下一個閑頻光信號，該信號不僅偏振不敏感且能在標準單模光纖中無色散地傳輸 20km。最后在基站利用PD對該閑頻光和信號光進行混頻獲得60GHz毫米波信號。

1.2.4.3 基于硫系波導的四波混頻法研究現狀

近年來，隨著硫系波導制備技術的發展，硫系波導器件開始在近紅外通信波段的超高速全光信號產生和處理領域得到廣泛應用。2009 年，悉尼大學的Luau等人提出并驗證了基于As₂S₃脊型波導的FWM效應實現全光波長轉換的方案。實驗中，他們采用長6cm、寬2μm、脊高870nm和刻蝕深度350nm的As₂S₃脊型波導進行色散調控，該波導的非線性系數為9800W-1km-1，反常色散為 29.2ps/nm·km，滿足 FWM 的相位匹配條件。當誤碼率為 10-9時，40Gbit/s的信號通過這個方案實現全光波長轉換，轉換帶寬為 80nm。2010 年，Pelusi等人提出基于色散位移 As₂S₃脊型波導的 FWM 效應實現波長變換技術方案，原理如圖1.15所示。該方案基于7cm長的As₂S₃脊型波導實現高速差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）信號和二進制開關鍵控（On-Off Keying，OOK）信號的全光波長轉換，實驗驗證了 40Gbit/s 的 DPSK 信號和160Gbit/s 的 OOK 信號能分別獲得 33nm 和 15nm 的轉換帶寬。其中，在40Gbit/s DPSK信號的實驗中，泵浦波長λ_p為1547nm，信號波長λ_s在1554～1564nm間調諧，通過波長轉換獲得閑頻光λ_i在1531～1540nm之間變化，轉換效率為-12.8dB。該文獻表明基于硫系波導的FWM效應在對信號誤碼率、調制格式無限制及存在微小相位失真的情況下，在對信號處理能力方面具有強大的優勢。

1.2.4.4 基于硫系光纖的四波混頻法研究現狀

硫系光纖是目前唯一具備聲子能量低、非輻射躍遷幾率低和透遠紅外等特性的光纖，而且其非線性系數n₂比石英材料高兩個數量級，具有響應時間短（亞皮秒）、色散大（可達到-410ps/nm·km）等優秀特性，使得硫系玻璃光纖成為國外許多研究機構進行全光信號處理、波長轉換等應用的重要器件。

2009年，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學的Szpulak等人提出通過基于As₂S₃硫系懸吊芯光纖的四波混頻效應實現中紅外波長轉換的理論方案。該方案通過改變硫系光纖的纖芯結構，將光纖的零色散波長偏移到2μm，利用摻銩光纖激光器發射1.8～2.1μm的泵浦光，在光纖的正常色散區產生FWM效應。仿真驗證了當泵浦光波長為1.92μm時，1.3μm的泵浦波和4.5μm的信號光在芯徑為2.2μm的光纖中實現相位匹配，且在 10～20cm 長的硫系光纖中利用四波混頻效應將近紅外波長（約2μm）變換到中紅外波長（約4.5μm）。

硫系微結構光纖通過結構設計靈活調節零色散點位置，以便在厘米級長度的光纖中獲得理想光譜波段之間的相位匹配來實現四波混頻效應。2010年，新加坡南洋理工大學的Nguyen等人實驗驗證了AsSe硫系懸吊芯光纖的FWM現象，即產生斯托克斯光和反斯托克斯光，實驗原理如圖1.16所示。實驗中，他們采用非線性系數為31300W-1·km-1的AsSe硫系懸吊芯光纖，選用脈寬為8ps、波長為1553nm的脈沖波f₁和平均功率為14mW、波長為1557nm的連續光f₂作為輸入 AsSe 硫系光纖的兩個泵浦光，兩路泵浦光混合在一起通過孔徑為1.4μm、長為43cm的AsSe硫系懸吊芯光纖實現波長轉換，且隨著f₂波長的變化，相應的斯托克斯光和反斯托克斯光波長也隨之變化。該實驗波長轉換效率達到-27dB，結果表明硫系光纖在全光信號處理的應用中存在巨大潛能。2011年，美國加州大學Camille 等人首次實驗驗證了在2.5cm長的硫化物微結構光纖中，利用其FWM效應實現脈沖半高頻率為8GHz的4ps超快波長轉換方案，波長轉換帶寬超過 50nm。2018 年，劉麗等人基于四波混頻效應的毫米波生成技術發展現狀的研究指出，基于AsSe硫系光纖的FWM效應的毫米波生成技術具有超寬帶寬、尺寸小、集合程度高等優勢。

隨著硫系光子器件的出現，憑其超高的非線性特性，以硫系波導和硫系光纖為主流的硫系光子器件必將成為光生毫米波技術的一個重點研究領域。但是，由于四波混頻光生毫米波技術對光學器件要求較高，而且要求嚴格的相位匹配，廣泛應用還需要一段時間。