【無(wú)線射頻通信】-支撐RoF技術(shù)的新型光電子器件及技術(shù)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----支撐RoF技術(shù)的新型光電子器件及技術(shù)微波光子學(xué)作為一個(gè)微波技術(shù)和光子技術(shù)相融合的學(xué)科和技術(shù)，其進(jìn)展史可以追溯到激光和光纖創(chuàng)造之初[1]，隨著超高速光纖通信技術(shù)的成熟、寬帶無(wú)線個(gè)人移動(dòng)通信的普及以及微波技術(shù)在事、工業(yè)和尖端科研中應(yīng)用的增長(zhǎng)，微波光子學(xué)正呈現(xiàn)出一個(gè)生氣勃勃的進(jìn)展機(jī)遇和前景。目前，光纖通信技術(shù)不斷進(jìn)展與進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單一波長(zhǎng)信道的40Gb/s的高速寬帶信息傳送，解決了克服光纖中色散、非線性等效應(yīng)的光學(xué)器件和技術(shù)問(wèn)題。用光時(shí)分復(fù)用技術(shù)獲得更高頻率信號(hào)的討論取得了突破，太赫茲技術(shù)也在光學(xué)科技的推動(dòng)下取得了快速的進(jìn)展。而在高頻的微波光子學(xué)討論的領(lǐng)域中，利用光學(xué)方法產(chǎn)生毫米波調(diào)制的副載波信號(hào)，將光纖傳輸、高速光電子器件與毫米波信號(hào)在空間的輻射傳送相互融合，已經(jīng)成為下一代寬帶無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)展熱點(diǎn)，即光載無(wú)線(RoF)技術(shù)，其基本概念如圖1所示。

通常來(lái)說(shuō)，RoF通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括雙向的收發(fā)模塊、遠(yuǎn)端的收發(fā)模塊和光纖。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)技術(shù)相比，RoF通信系統(tǒng)有著更廣的蜂窩掩蓋、更寬的帶寬、較低的成本、較低的功耗和易安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此在將來(lái)通信、事上等諸多的領(lǐng)域有著特別重要的應(yīng)用價(jià)值。在激光技術(shù)與光通信技術(shù)推動(dòng)下進(jìn)展起來(lái)的RoF用的新型光電子器件，與微波器件相比具有體積小、重量輕、速度快、精度高、效率高、功耗低、價(jià)格低等多種優(yōu)點(diǎn)，將激光、光電子、光纖技術(shù)的成果與微波技術(shù)的融合，必將帶來(lái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決一些難以克服的"瓶頸'問(wèn)題，獲得一些意想不到的效果。為此，必需把握滿意毫米波副載波光纖通信需要的關(guān)鍵器件和技術(shù)。

1基于光電子器件的毫米波副載波的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)

毫米波副載波由于具有較高的頻率，很難直接通過(guò)激光器的直接調(diào)制的方法獲得。因此，隨著光電子器件技術(shù)的快速進(jìn)展，一些光生毫米波技術(shù)在近年來(lái)已經(jīng)被大量的提出，總體歸納起來(lái)大致上可分成4種類型[2]：一是使用外部光學(xué)調(diào)制器法，即利用高速外部光學(xué)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)在毫米波頻段的調(diào)制，如LiNO3調(diào)制器；二是采納頻率上轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)低頻微波副載波光纖傳輸和在基站實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換的技術(shù)，如聲光移頻器；三是光外差的方法，即利用特別波長(zhǎng)和相位關(guān)系的激光器在探測(cè)器端的拍頻；四是基于一些特別新型光子器件的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)，如超結(jié)構(gòu)的光纖光柵、法布里-珀羅(FP)諧振腔和其他一些新型光電子組合器件的應(yīng)用等。

1.1外部光學(xué)調(diào)制器法

外部的光學(xué)調(diào)制器法[3-5]是一種最簡(jiǎn)潔和傳統(tǒng)的毫米波副載波的光學(xué)產(chǎn)生方法，其主要的功能器件是一個(gè)高速的光學(xué)調(diào)制器。其原理是從激光器輸出的光波經(jīng)過(guò)一個(gè)馬赫-曾德調(diào)制器(MZI)，將攜帶傳輸信息的毫米波射頻信號(hào)直接加載到MZI上，這樣輸出光波形成一個(gè)雙邊帶調(diào)制的光學(xué)信號(hào)，如圖2所示。在光學(xué)接收器上，每個(gè)邊帶與中心頻率發(fā)生拍頻，產(chǎn)生所需要的毫米波頻段的射頻信號(hào)。但是，這種雙邊帶調(diào)制的光波在光纖中傳輸時(shí)，色散效應(yīng)對(duì)不同的頻率成分產(chǎn)生不同的相位，使產(chǎn)生的兩個(gè)拍頻的射頻信號(hào)具有不同的相位，以致于射頻信號(hào)功率隨著傳輸距離和載波頻率呈現(xiàn)周期性的變化。為此需要采納單邊帶調(diào)制[6]、光纖光柵色散補(bǔ)償[7]和光學(xué)相位共軛[8]等方法加以補(bǔ)償。

1.2低頻微波傳輸和基站頻率上轉(zhuǎn)換法

這種方法[9]主要是依靠一個(gè)移頻器，即頻率上轉(zhuǎn)換器。為了克服色散效應(yīng)引起的信號(hào)損傷，一種可行的方法是在光纖中傳輸頻率較低的副載波，然后在基站利用頻率上轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)頻率的上轉(zhuǎn)換，達(dá)到毫米波波段的高頻載波。在放射端用電光調(diào)制將較低頻率的射頻副載波調(diào)制到光波上，通過(guò)光纖傳送到接收端，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換還原為低頻射頻信號(hào)，然后上變頻到毫米波波段，通過(guò)天線發(fā)給用戶。由于在光纖中傳輸?shù)母陛d波頻率較低，可以克服色散效應(yīng)帶來(lái)的影響。同時(shí)，在放射端不需要簡(jiǎn)單和特別的光源，但是在基站中需要增加一個(gè)頻率上轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的毫米波電路設(shè)備，增加了基站的簡(jiǎn)單性和成本。

1.3光外差方法

光外差[10]的方法是最常用的光生毫米波技術(shù)，其性能主要是依靠頻率差等于所需要的毫米波頻率的兩個(gè)相位鎖定的窄線寬激光器，其中之一攜帶了需要傳輸信息的基帶數(shù)據(jù)，在基站通過(guò)外差產(chǎn)生毫米波載波信號(hào)。在傳輸光纖中兩光波的光譜都很窄，色散效應(yīng)很小，因此光外差方法既可以克服光纖中的色散問(wèn)題，又可以簡(jiǎn)化基站的結(jié)構(gòu)和成本，成為近年來(lái)RoF放射機(jī)討論工作的熱點(diǎn)。由于信號(hào)直接調(diào)制在一個(gè)窄線寬的光波上，這就避開了數(shù)十吉赫茲高頻調(diào)制所帶來(lái)的困難，又解決了光纖色散對(duì)高頻調(diào)制光信號(hào)影響的問(wèn)題，其基本原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

由于在光外差法中采納了兩個(gè)半導(dǎo)體激光器，它們存在隨機(jī)的相位噪聲，由此產(chǎn)生的拍頻毫米波信號(hào)也存在相位噪聲。這對(duì)系統(tǒng)性能造成很大影響，因此必需消退。為此近年來(lái)有了一些新的討論，主要有光注入鎖定法(OIL)[11]、光學(xué)鎖相環(huán)法(OPLL)[12]和光注入鎖相環(huán)法(OIPLL)[13]。

1.4基于特別功能器件的毫米波副載波脈沖信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)

除了上面介紹的幾種連續(xù)的毫米波副載波調(diào)制信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)外，近年來(lái)，基于一些特別設(shè)計(jì)功能器件或組合器件的毫米波副載波脈沖信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生技術(shù)也吸引了人們很大的關(guān)注，討論人員也取得了一些不錯(cuò)的討論結(jié)果。其基本物理思想是：利用光纖和光纖器件的色散和非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光脈沖內(nèi)部的自拍頻，從而實(shí)現(xiàn)將一個(gè)單一的光學(xué)脈沖轉(zhuǎn)換為毫米頻率調(diào)制的光學(xué)脈沖，然后經(jīng)過(guò)高速的光電轉(zhuǎn)換后，形成一個(gè)高頻的毫米波脈沖信號(hào)，通過(guò)天線放射出去。

文獻(xiàn)[14]最早介紹了這種光生毫米技術(shù)，如圖4所示。線性偏振入射光波的偏振方向與雙折射光纖的慢軸x方向成夾角；檢偏器以與光纖快軸成角放置。光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，存在兩偏振重量，同時(shí)，由于光線的色散效應(yīng)和非線性的自相位調(diào)制效應(yīng)，光譜發(fā)生頻移，經(jīng)檢偏器后兩重量發(fā)生差拍，即在一個(gè)脈沖包絡(luò)內(nèi)部發(fā)生高頻調(diào)制。這種高頻調(diào)制，可以是單一射頻頻率的調(diào)制，也可以是具有啁啾性的調(diào)制，取決于光纖和光脈沖參數(shù)的選擇和掌握。

為了降低對(duì)于光纖和光脈沖參數(shù)的掌握要求，有人采納一個(gè)馬赫-曾德干涉儀來(lái)代替雙折射光纖[14]。在這一試驗(yàn)中，由光纖激光器輸出的1550nm波段3ps脈寬、250MHz重復(fù)頻率的光波經(jīng)環(huán)行器后輸入到一個(gè)啁啾率為0.13nm/cm的10cm長(zhǎng)的啁啾光纖光柵上，光纖光柵反射后脈沖展寬為1000ps。馬赫-曾德干涉儀的一臂接入了一個(gè)可變時(shí)延器和一個(gè)偏振掌握器，這樣，在干涉儀的其次個(gè)耦合器上，啁啾光脈沖的前沿就可能與后沿發(fā)生差拍，產(chǎn)生一個(gè)射頻調(diào)制的光脈沖?；谏鲜鏊枷耄恍┢渌奶貏e無(wú)源新型的功能器件的光生毫米技術(shù)的產(chǎn)生方法也被提出。如利用一個(gè)具有雙峰值波長(zhǎng)的變跡莫爾光纖光柵濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波副載波信號(hào)的產(chǎn)生[15]。圖5顯示了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的示意簡(jiǎn)圖。輸入窄脈沖激光經(jīng)光纖環(huán)行器入射到光纖光柵并被其反射回到環(huán)行器，從另一端口輸出，采納的光纖光柵具有雙峰值波長(zhǎng)的光譜結(jié)構(gòu)。入射光譜被光纖光柵譜所調(diào)制，轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有雙峰值波長(zhǎng)光譜的光脈沖。當(dāng)這一光束被光電二極管接收時(shí)，雙波長(zhǎng)之間發(fā)生拍頻，在時(shí)域上轉(zhuǎn)換為一個(gè)與入射光脈沖時(shí)間和幅度相對(duì)應(yīng)的毫米波調(diào)制的脈沖串，構(gòu)成一個(gè)幅移鍵控(ASK)調(diào)制的毫米波副載波。其中，具有雙峰值波長(zhǎng)的光纖光柵可以通過(guò)光柵的逆工程方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種技術(shù)方案中，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)特別設(shè)計(jì)的莫爾光柵，這種光柵目前在設(shè)計(jì)上和工藝上都已經(jīng)比較成熟。圖6為設(shè)計(jì)的修正的莫爾光纖光柵的折射率分布和反射譜。

此外，也可以利用簡(jiǎn)潔低反射率腔的FP濾波器，實(shí)現(xiàn)脈沖的重復(fù)延時(shí)，形成高重復(fù)頻率超短脈沖序列，即毫米波脈沖包絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光生毫米波技術(shù)。其基本思路如圖7所示。進(jìn)行初步的理論分析[16]得到相關(guān)的器件特性參數(shù)與所產(chǎn)生的微波脈沖特性之間的關(guān)系，可通過(guò)調(diào)整FP腔的光程和反射率來(lái)掌握輸出光學(xué)脈沖的重復(fù)頻率、消光比和包絡(luò)波形。初步的討論結(jié)果表明這一方案技術(shù)成熟，簡(jiǎn)潔易行。為了改善毫米波脈沖包絡(luò)的質(zhì)量和性能，可以通過(guò)FP半