1.2.1 雙波長激光器直接調制法

雙波長激光器直接調制法一般是指利用一個激光器輸出兩個不同波長的光波，雙光波耦合后利用光電探測器進行差頻而生成毫米波的方法，這是最早的光生毫米波方法。從理論上分析，這種方法非常簡單且易實現。但在實際應用中，由于半導體激光器和發光二極管的馳豫振蕩和頻率啁啾特性，導致調制帶寬窄和頻率響應度低，因此，早期該方法只適用于低頻調制系統。但是，隨著光纖環形激光器技術及半導體激光器制備技術的快速發展，雙波長激光器的出現極大地豐富了激光器直接調制生成毫米波技術。同時，基于雙波長激光器直接調制法是產生低相位噪聲（低相噪）毫米波的一種重要方法，該方法可通過一個反饋循環振蕩鏈路生成兩個不同波長的光波，這兩個光波的相位相關性比用兩個獨立的激光器產生的兩路光波要好很多。同時，該方法具有不需要額外的微波參考信號源、結構簡單和成本低等優勢。針對雙波長激光器直接調制生成毫米波技術方案，國內外許多研究團隊已經有大量的成果報道，主要包含基于單縱模雙波長光纖環形激光器、外腔光注入鎖相雙波長激光器和雙模半導體激光器三類雙波長激光器的毫米波生成技術方案。

早在1995年，David Wake等人提出了一種使用雙模的分布反饋（Distributed FeedBack，DFB）半導體激光器通過PD直接拍頻生成毫米波信號的技術方案。該方案能產生頻率介于40～60GHz之間高功率和高穩定性的毫米波信號，在頻譜偏移為100kHz處的相位噪聲小于-85dBc/Hz。T.B.Simpson等人提出單波長外腔注入半導體激光器的雙波長激光器結構，該方案是利用一個光注入導體激光器輸出一路光波去激發被動半導體激光器，通過光注入導體激光器的外光改變被動半導體激光器的諧振耦合激光腔的光場與自由載流子（增益介質）的特性，從而獲得兩個鎖相的波長。1996年，M.Hyodo等人驗證了一種基于雙縱模微芯激光器生成窄頻毫米波的技術方案，該方案能獲得線寬為 430Hz 的101GHz毫米波。2006年，陳祥飛等人提出一種基于單縱模雙波長光纖環形激光器生成高頻毫米波的方案，該系統結構如圖 1.4 所示。該方案采用一個雙波長光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）與一個普通光纖光柵組合成兩個超窄帶傳輸濾波器，保證光纖環形激光器獲得兩個單縱模光波，通過 PD 拍頻后生成頻率分別為18.68GHz，40.95GHz，6.95GHz的低相噪毫米波信號。實驗中，半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）用作光纖環形激光器的增益介質，讓兩個單縱模光波共享相同的增益腔，從而減小相對相位波動，有利于在不需要光學鎖相環或者光注入鎖相結構的條件下生成低相位噪聲的毫米波信號。然而，這種方案對 FBG 濾波器性能要求非?？量蹋現BG 性能對毫米波信號的性能起了決定性作用。

2008年，陳東等人提出基于簡單的單縱模雙波長摻鉺光纖激光器生成毫米波的方案，基于光學鎖相環的光學外差法生成毫米波系統結構如圖 1.5 所示。該方案利用一對標準的FBG充當Fabry-Perot（F-P）濾波器，且兩個FBG具有大約 0.12pm 的超小傳輸帶寬。該單縱模摻鉺光纖放大器在室溫下能輸出波長間隔為0.08nm的穩定雙波長光波，通過PD拍頻獲得9.616GHz的微波信號，該微波信號的頻率穩定度大于 1MHz，頻譜寬度小于 10kHz。然而，這類方法應用的FBG的傳輸帶寬是固定的，因而產生的微波信號的頻率也是固定的，不能產生可調諧的微波信號。2014年，Kai Hung Lo等人提出基于光注入鎖相環的激光器直接調制生成毫米波方案。該方案獲得頻率為 45.85GHz，46.06GHz的毫米波，并且該系統能控制生成的毫米波信號頻率的抖動范圍在 0.1～1GHz之間。2016 年，中國臺灣 Cheng TingTsai 等人提出直接基于雙模激光器生成60GHz的光傳毫米波（Millimeter-Wave over Fiber，MMWoF）無線系統架構，從而使新的光纖無線電接入系統包含 4km 的單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）傳輸系統和3m的無線16-QAM正交碼分復用（Orthogonal Code Division Multiplexing，OFDM）傳輸系統，實驗系統如圖1.6所示。通過雙模注入鎖定結構，激光器的閾值電流為7.7mA，相關強度噪聲（Relative Intensity Noise，RIN）為-110.4dBc/Hz。這種毫米波生成系統的結構比較簡單，但對激光器的雙模鎖相要求較高。

圖1.4 基于單縱模雙波長光纖環形激光器生成高頻毫米波系統結構

圖1.5 基于光學鎖相環的光學外差法生成毫米波系統結構

基于激光器直接調制生成毫米波的方法比較容易生成毫米波，系統結構相對簡單。但是，該方法對激光器的性能要求較高，而且想要獲得低相位噪聲的高頻毫米波一般需要通過兩種途徑：①利用先進的雙波長鎖模激光器，這種方法對激光器的性能要求很高；②利用光注入鎖相或者光學鎖相環結構對光波進行鎖相，且需要大量超窄帶寬的FBG，系統結構會變得復雜，實現難度增加。

圖1.6 基于雙模激光器生成毫米波系統