图3 双波长激光器拍频产生毫米波方案示意图

　　图4 FBG1和FBG2的光谱示意图，其中(a)FBG1(实线)和FBG2(虚线)的光谱图，(b)经光环行器后两光栅共同作用下的光谱图

　　图中系统用了两个光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)，其中FBG1是超窄带宽(Ultra Narrow Transmission-Band，UNTB)光纤布拉格光纤光栅，FBG2是一个均匀双波长反射性的布拉格光纤光栅。图4(a)是FBG1(实线)和FBG2(虚线)的光谱图，图4(b)是两个光纤光栅共同作用下的的反射谱。FBG1是通过等效相移(equivalent phase shift，EPS)技术得到的超窄带FBG。采用这种特殊的FBG具有以下好处：1)通过UNTB FBG可确保激光器工作在单纵模状态;2)采用UNTB FBG可以消除两波长间的模式抖动;3)通过UNTB FBG得到的双波长激光器波长间隔比较稳定。这样就可得到一个双波长、单纵模的光束，将这两束光相互作用拍频，可得到相位噪声小、稳定的微波信号。系统得到的微波输出频谱为图5。

　　图5 双模激光器法得到的微波输出频谱图

　　使用双模激光器法产生高频微波的另一优点是:能够比较容易地产生高频毫米波信号，如1550nm波长附近、波长间隔为0.8nm的两个光波信号，其频率差就可达到100GHz。然而，双波长激光器拍频产生的信号性差，而且线宽较大，对于频率稳定性和线宽要求较高的应用场合，如毫米波通信系统中不大可能得到实用化，在稳定性和线宽要求不太高的应用领域，如材料参数测量和医疗领域有着一定的应用前景。

　　2.4 多次倍频法多次倍频法是采用光学方法多次倍频微波信号来产生毫米波信号[11-15]，它的基本原理是利用光学器件(如强度调制器、相位调制器和半导体光放大器等)中的非线性效应产生多阶频率分量，用光学滤波器选择其中的两个谐波分量，最后通过光学拍频的方法产生毫米波信号，这一过程示意图如图6所示。由于这种方法获得的高阶频率分量相干性极好，因而产生的毫米波信号具有窄线宽、低相位噪声、频率稳定性好等特点，同时系统结构比较简单，在未来的低成本毫米波通信系统中有着极其重要的应用前景。

　　图6 光学非线性效应实现微波的多倍频产生毫米波方案示意图

　　早期的方案是利用MZM 结构LiNbO3 强度调制器上实现光载波抑制调制技术，光学方法实现微波信号二倍频产生高频毫米波信号[11]。为了用更小的代价获得更高频率的毫米波信号，光学方法实现微波信号四倍频或者更高次倍频产生毫米波信号成为研究热点。在2003 年，肯特大学P. Shen研究小组报道的利用相位调制器中的非线性实现微波信号的四次倍频技术如图7所示[12] ，选择并扩大二次谐波，抑制其他边频以达到四次倍频。

　　图7 利用相位调制器的非线性产生毫米波信号

　　在2006年，清华大学谢世钟研究小组利用半导体光放大器中的四波混频效应，实现了微波信号的光学六次倍频[13]。如图8所示，选择并放大三次谐波，抑制其他变频，以达到六次倍频。但是上述的方案，都需要利用光学滤波器去选择两个所需要的边带，因而不能最终获得一个宽带可调谐的毫米波信号。

　　图8 利用SOA中的四波混频效应实现微波信号的六次倍频

　　为了获得宽带可调谐的毫米波信号，加拿大姚建平领导的研究小组提出可以利用铌酸锂强度调制器实现对光载波的非线性调制，从而产生高阶的光边带分量，同时利用一个光学滤波器滤除其中的光载波分量，最终实现对微波信号的光学四次倍频[14]，其示意图如图9所示，选择边频分量，抑制光载波。这种方案能够产生一个宽带、可调谐的毫米波信号，但是为了获得所需的两个二次光边带信号，需要大功率的微波信号加载在强度调制器上，增加了系统的复杂度。一个与之类似的方案是日本NICT的KAWANISHI博士提出的采用特殊设计的铌酸锂调制器[15]，该调制器有较低的半波电压，然而，在这种方案中，调制器的设计十分复杂。

　　图9 利用强度调制器中的非线性效应产生可调谐毫米波信号

　　2.5 锁模激光器法如前述，光学方式产生微波的关键在于怎样得到两个间隔恒定的，相位差恒定的纵模。锁模激光器就其本身而言，首先由于锁模，频率很稳定，其次，所有的模式都在同一个谐振腔内谐振产生，光谱中不同谱线之间的相位差恒定，适合用于产生微波。图10是加拿大渥太华大学以姚建平(Jianping Yao)和邓志超(Zhichao Deng)为首的研究小组利用有理数谐波锁模法来通过主动锁模激光器产生高频率的微波信号[ 16]。

　　图10 锁模激光器法结构图

　　在此系统中，EDFA在激光腔中用作增益介质，隔离器用来保证激光的单向传输，强度调制器用来获得锁模，偏振控制器用来调整进入强度调制器的光的偏振状态。此过程中具有两个关键的技术要点：

(1)有理数谐波锁模[17]。传统的锁模技术产生的光谱边模之间的频率间隔等于锁模中用到的RF信号的频率。这样要得到高频率的微波信号则显得比较困难。而通过有理数谐波锁模，当RF源的输出频率为，则产生的边模频率间隔为，这样就容易产生高频微波信号，同时也避免了使用高频率的微波源，通过多纵模拍频，就可以得到一系列的微波及其谐波，如图11所示。

　　(2)系统中用到了非线性调制实现脉冲均衡。其调制器的输出函数为[18]

(1)

其中为插入损耗，为调制器的标准化偏置点，为调制信号的标准化偏置幅度，为微波驱动信号频率。通过设置合适的值和值，经过非线性调制后，就可以得到如图12所示的微波频谱图。

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