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0431-81702023
光学工程
四波混频光生毫米波技术研究进展

摘要 基于四波混频(FWM)效应的光生毫米波(MMW)技术因对信号频率、幅度和相位无限制且光转换效率高, 已成为光生毫米波技术研究的一个重点方向.回顾了基于四波混频的光生毫米波技术的研究历程,讨论了目前基于半导体光放大器(SOA)、高非线性光纤(HNLF)和硅基波导等光学器件的四波混频效应生成毫米波的三种技术路线,综述了硫系玻璃 光 纤 和 硫 系 波 导 在 光 生 毫 米 波 领 域 的 研 究 进 展,并 对 光 生 毫 米 波 技 术 的 发 展 前 景 进 行了展望.

关键词 非线性光学;光生毫米波;四波混频;半导体光放大器;高非线性光纤;硫系波导;硫系玻璃光纤

1 引 言

      随着第五代移动通信系统(5G)技术的快速发展,毫米波(MMW)通信将在未来移动通信系统中被广泛采用,它可提供比现有的第四代移动通信系统(4G)更宽的信道带宽和更高的信号传输速率.制约毫米波通信广泛应用于民用通信系统的主要障碍是其相关硬件价格高昂,尤其是高频高稳定度毫米波信号发生源,成为了制约系统成本控制的瓶颈[1].目前,光生毫米波技术通过全光学方法生成高频毫米波信号,克服了电子倍频器件响应频率和带宽的限制,且成本低廉、结构简单、易生成相位噪声小的高性能毫米波,已成为国内外毫米波信号产生技术的研究热点[2].

      光生毫米波技术按照毫米波生成的原理主要可分为4类:直接调制法[3]、光学外差法[4]、外部调制器调制法[5]和基于非线性效应的方法[6].直接调制法采用强度调制器直接将毫米波信号加载到光波上,基站用光电检测器获得毫米波[3].该方法简单、易实现,但由于半导体激光器和发光二极管的弛豫振荡和频率啁啾特性,导致调制带宽小、频率响应度低,因而只适用于低频调制系统.光学外差法利用光电探测器(PD)对两个不同波长的光波拍频产生新频率信号而获得毫米波信号[4].该方法易产生毫米波,但受相位噪声影响较大,对两束拍频光的相位相关性要求很高,实现难度大,系统较复杂.外部调制器调制法一般使用某种外部调制器,如相位调制器、电吸收调制器或强度调制器等构成光生毫米波信号的核心,该方法具有较高的可靠性,系统实现成本较低[5].以外部调制技术为中心,衍生出了多种光生毫米波信号实现方法,例如单边带调制法(SSB)[7]、双边带调制法(DSB)[8]、抑制载波调制法(OCS)和光学倍频技术[9]等.由于毫米波波段频率已达到几十 GHz甚至上百 GHz,一般光调制器件的速度很难满足要求,即使部分超高速光调制器件能达到要求,也因价格高昂而难以普及.然而,通过光学拍频的方法产生几十 GHz到上百 GHz的毫米波信号则非常容易,比如在1550nm 波段,0.8nm 的光频差高达100GHz [8].因此,在实际研究中,两种或多种方法结合应用比较常见.例如,1992年,O'Reilly等[5]最先提出利用 OCS产生毫米波,他们用铌酸锂(LiNbO3)调制器将18GHz微波调制到激光上,再用 PD 将已调信号的上下两个边频进行拍频,得到36GHz毫米波. 2005年,Qi等[9]用射频信号对激光进行相位调制,调制信号的频率从18.8GHz调到25GHz,再用PD将已调信号的上下边带进行拍频,分别得到37.6、50、75.2、100GHz的毫米波信号.2005年,渥太华大学姚建平课题组提出利用高功率射频信号驱动 LiNbO3调制器,并结合法布里G布拉格光栅滤波器实现 OCS获得两个二阶光边带,最后在 PD中拍频以实现四次倍频,实验获得32~50GHz的宽带可调毫米波信号[10].

      利用非线性效应产生毫米波信号的方法[11]是近年来提出的一种新技术,即利用光学器件的非线性效应产生新的频谱分量生成毫米波.此类方法易于实现高倍频毫米波信号,可极大地简化系统结构,且有益于系统集成和降低成本.国内外已有很多研究机构提出了基于不同的非线性效应产生毫米波的解决方案,利用的非线性效应主要包括自相位调制(SPM)[12]、交叉相位调制(XPM)[13]、四波混频(FWM)[14]、交叉增益调制(XGM)[15]、受激布里渊散射(SBS)[16]等.其中,基于四波混频效应的光生毫米波技术因其对调制信号的速率和调制格式无限制,且产生的光载毫米波信号具备在传输链路中无功率周期性衰落效应、响应速度快、转换速率高、能实现多个波长变换和偏振不敏感等优势,成为一种极具潜力的光生毫米波方法,具有广阔的应用前景[17].目前,基于四波混频效应的光生毫米波技术的研究热点主要集中于基于半导体光放大器 (SOA)[18]、高非线性光纤(HNLF)[19]和非线性晶体[20]等介质的四波混频效应来产生毫米波信号.本文综述了基于四波混频产生毫米波信号的研究历程和发展现状,探讨四波混频光生毫米波技术的未来发展趋势.

2 基于四波混频的光生毫米波原理

2.1 四波混频原理

       四波混频是由介质的三阶非线性极化引起的光学非线性效应,是指不同波长的三个光波(例如两个抽运光和一个信号光)在非线性介质中相互作用而产生新波长的光波(闲频光)的混频过程,即两个频率为ωp1 和 ωp2 的抽运光与一个频率为ωs 的信号光相互作用,产生一个新的频率为ωi 的闲频光[21].抽运光、信号光和闲频光之间应满足表达式ωp1 +ωp2 =ωs +ωi ,抽运光将能量有效地转移给信号光和闲频光,从而放大了信号光和闲频光.当输入的抽运光和信号光满足相位匹配条件时,四波混频现象会非常明显.此外,四波混频效应分为简并和非简并两种情况.当ωp1 =ωp2 =ωp 时,只需要一个抽运光ωp 和一个信号光ωs 就可以激发四波混频获得两个闲频光(ωi1 和ωi2 ),称之为简并四波混频;反之,则为非简并四波混频.后文所述四波混频皆为简并四波混频,其原理如图 1所示.

2.2 基于四波混频的光生毫米波技术

       光生毫米波系统一般由5部分组成,分别是激光源模块、全光波长转换模块、滤波器模块、光学混频模块和毫米波生成模块,系统结构如图2所示[22].工作原理为输入的一个或两个激光信号通过全光波长变换及光学滤波后生成具有一定波长间隔的两个新的光波,这两个新的光波通过 PD进行光学混频,生成的差频信号即为所需的毫米波信号.其中,全光波长转换模块不仅是光纤无线电(ROF)系统中利用光学方法传输毫米波信号的基础,更是利用全光手段生成高频毫米波甚至太赫兹信号以降低高频毫米波及太赫兹信号源成本的重要途径.

3 研究现状

      根据所使用的光学非线性元件的不同,基于四波混频产生毫米波信号的方法主要可分为 SOA 法、 HNLF法和硅基波导法.

3.1 基于SOA的四波混频毫米波信号生成

      基于SOA 的四波混频效应(SOAGFWM)产生毫米波方法的工作原理:两束不同波长的光在 SOA 的非线性有源介质中相互作用,有源介质中的载流子根据入射光强分布形成载流子光栅(其散射效率根据波长变换间隔的增加而下降),入射光经过光栅散射后形成一个闲频光信号,利用滤波器过滤获得闲频光,最后通过 PD拍频得到高频毫米波信号[23].基于 SOAGFWM 的光生毫米波方法因其结构简单、转换效率高、成本低和易于集成等优点,成为国内外许多机构选择的光生毫米波方法.1998 年,Kelly等[24]利用 2 mm 长的 SOA 和布拉格光纤光栅,在 SOA 的电流偏置设置为540 mA 的情况下,100Gb/s光时分复用信号基于 SOAGFWM 实现波长转换而获得光生毫米波信号.同年,D′Ottavi等[25]提出了一种基于长尺寸SOAGFWM 的全光波长转换方案,输入信号为10Gb/s,通过全光波长转换机制实现左右边带光信号的转换带宽分别为30nm 和15nm.2006年,姚建平课题组提出了基于SOAGFWM 产生六倍频光生毫米波的系统方案,实验利用5.6GHz射频驱动信号获得33.6GHz的光生毫米波载波信号[26].2007年,Kim 等[27]基于SOAGFWM 利用2.5GHz的光中频信号和37.5GHz本地光振荡信号混频获得40GHz光载毫米波信号.2011年,Kim 等[28]提出一种基于SOAGFWM 的全光毫米波生成实验方案,实验中8路2.5GHz的输入信号被同时调制到26.5GHz的光生毫米波信号上,没有出现严重的码间串扰现象,且信号功率损失小于2.7dB,适合于波分复用光纤无线电(WDMGROF)系统.2013年,Filion等[29]提出正交调幅信号基于SOAGFWM 的波长变换生成毫米波信号方案.

      国内在相关方面的研究也取得了一些成果.2009年,清华大学李沫等[30]提出基于 SOAGFWM 的全双工光生毫米波 光 纤 无 线 电 系 统,如 图 3 所 示.该 系 统 利 用 15 GHz射 频 信 号 驱 动 马 赫G曾 德 尔 调 制 器 (MZM),通过 OCS获得间隔为30GHz的抽运波信号,信号光波和抽运波混合后通过SOAGFWM 实现波长变换获得两个闲频波.实验中,他们选择一路闲频光信号作为上行链路的光本振信号与另一路光载毫米波信号一同传输到基站,然后通过 PD混频获得60GHz毫米波信号.该系统实现分布式光本振信号再利用, 上行链路中减少电光本振器的应用,利于简化系统结构,有效减少系统噪声干扰,是典型的基于 SOAGFWM 的光生毫米波实验系统.同年,湖南大学余建军课题组提出一种偏振不敏感的基于 SOAGFWM 的 ROF光生毫米波信号方案.该方案采取单边带调制技术,有效减少光纤色散的不利影响,增加传输距离[31].同时, 因采用双抽运结构而具有偏振不敏感、波长稳定性高、对射频信号和光学元件的带宽要求低等优点.2012年,余建军课题组[32]提出一种基于SOAGFWM 的双向 WDMGROF系统新方案,即基于差分马赫G曾德尔调制器(DMZM)固有的非线性特性结合SOAGFWM 机制产生60GHz毫米波信号.其优势是实现结构简单灵活,构建成本低.不足之处在于使用了较多环形光路而影响光能转换效率,增加相位噪声.2013年,成都电子科技大学项宇等[33]提出两组正交偏振的抽运波利用 SOAGFWM 获得10个新频率光波的光生毫米波方案,可应用于多基站 ROF系统的多路毫米波信号生成.2015年,北京邮电大学 Qin等[34]提出不归零正交相移键控(NRZGQPSK)信号基于 SOAGFWM 的多信道同步传输系统,并验证两个速率为 25Gb/s的 NRZGQPSK 通过SOA 的四波混频效应可以产生多种不同频率的光生毫米波信号.

3.2 基于 HNLF的四波混频毫米波信号生成

       基于 HNLF的四波混频效应(HNLFGFWM)产生毫米波的工作原理:将激光器的输出光送入 MZM 中, 并将产生的谐波分量通过放大器后传送到 HNLF 中,利用四波混频效应输出经滤波器得到的新的光频分量,最后利用 PD转换为毫米波信号[35].光纤作为四波混频非线性介质的优点是响应时间短,转换码率几乎不受限制,且因没有载流子浓度限制,可同时对多路信号光实现频率变换[36].传统石英光纤非线性小,所以需要很长的光纤才能产生较明显的四波混频效应,普通的色散移位光纤产生四波混频需要几千米的长度. 2003年,Okuno等[37]成功研制出色散斜率为0.0002ps??nm-2??km-1、有效模场面积 Aeff =16.5 mm2 的 HNLF,该光纤能在较小功率的抽运光作用下实现准可调谐的波长转换和宽频的光毫米波信号.随后,出现了各种基质材质的 HNLF [38],其非线性系数值可以达到10-3量级,因此,HNLF能在较短长度内实现四波混频效应,可以将其视为一个毫米波产生器件.2006年,Wiberg等[38]提出利用 HNLFGFWM 和光纤布拉格光栅(FBG)滤波器实现光毫米波倍频技术,实验验证能使6.67GHz的射频信号变换为40GHz光毫米波载波信号,该信号线宽小于3Hz,信噪比大于50dB,且成功地将2.5Gb/s的数据信号加载到该光毫米波载波信号上.2008年,Galili等[39]提出一种利用新型椭圆纤芯的保偏高非线性光纤(PMGHNLF)中的四波混频效应,以实现640Gb/s数据信号的全光波长转换方案,该方案能达到零误码率,平均接收偏振敏感保持在-3dB左右.2010年,Wang等[40]分别对基于SOA 和 HNLF的四波混频效应实现的多信道波长变换在减小偏振敏感度方面进行比较分析,发现在输入信号功率较大时,HNLF的偏振不敏感性比 SOA 强,且输入信号分别为开关键控(OOK)信号和相移键控(PSK)信号时,使用 HNLF进行波长转换产生的功率损耗小于使用 SOA.2015 年,Sharif等[41]提 出 并 验 证 了 一 种 基 于 HNLFGFWM 实 现 归 零 差 分 相 位 键 控 信 号 (RZGDPSK)的波长变换方案,该方案允许抽运信号的带宽可调谐.同年,FernándezGRuiz等[42]提出一种基于 HNLF的 XPM 和 FWM 效应联合作用进行全光上下变频的理论方案,该方案在理论上证明可通过激发 HNLF的 XPM 效应产生短时的全息影像,从而在不需要相位匹配的条件下进行 FWM 以产生光毫米波.

      国内研究虽然起步较晚,但也有一些代表性的成果.2010年,湖南大学余建军等[43]提出基于非线性铋基光纤的四波混频效应实现全光上变频生成60GHz毫米波的技术方案,如图4所示.他们利用30GHz射频信号驱动强度调制器获得间隔为60GHz的两个抽运光,两个抽运光和10Gb/s的 OOK 信号混合,经过2m 长铋基光纤的偏振不敏感性作用后在信号光两边生成间隔同为60GHz的两个闲频光.通过滤波器过滤剩下一个闲频光信号,该信号不仅偏振不敏感且能在标准单模光纤中无色散传输20km.最后在基站利用 PD对该闲频光和信号光进行混频获得60GHz毫米波信号.

       2010年,清华大学王天亮[44]提出基于 HNLFGFWM 实现四倍频全光上变频的技术方案.方案选用 OCS技术,利用一个光源产生两个同偏振态抽运光,使得7.5GHz射频信号获得了30GHz毫米波信号.其优点是可用来实现高比特率和复杂调制格式信号的全光上变频,且对于光器件与电设备的带宽要求不高. 不足之处是采用的非线性光纤零色散波长远小于1550nm,大大降低毫米波信号的信噪比,相位噪声明显, 产生的毫米波信号稳定性较差.2012 年,浙江大学 Gao等[45]提出并验证了采用连续的单抽运光,基于 HNLFGFWM 的波长变换机制生成毫米波的技术方案.该方案能同时产生6个信道的新光波,适用于全光多信道广播通信系统.

3.3 基于硅基波导的四波混频毫米波信号生成

      光波导的非线性效应一般强于光纤,基于波导中四波混频效应的毫米波生成技术具有噪声较小、带宽较宽、能通过准相位匹配提高转换效率等优势,但为了实现准相位匹配而在波导中加工周期极化结构的难度很大,且波导的体积较大,难以和集成电路加工工艺相兼容,也限制了光波导在集成光学中的应用.然而,硅基集成光波导中四波混频效应的发现,开辟了波长转换技术的新局面,为硅基波导在毫米波生成方面的应用打开了大门.2005年,Fukuda等[46]通过实验观察到长为1.58cm 的硅纳米线波导中发生了明显的四波混频现象,利用长度为5.8cm 的硅纳米线波导将10Gb/s信号光进行波长转换生成新的光波,波长转换效率为-34dB.因波导的耦合效率较低,且波导中的光功率密度不够高,使得基于波导的四波混频效应的波长转换效率不高.为解决这一问题,Yamada等[47]基于带模斑转换器的硅纳米线波导四波混频效应实现波长转换,选用160mW 的连续光作为抽运光,采用芯层区域光功率密度达到430mW/cm2的硅纳米线波导,使得四波混频效应得到加强,波长转换效率提高到-10.6dB.然而,随着抽运光功率的增加,硅纳米线波导中自由载流子吸收效应逐渐趋于明显,光功率密度会出现饱和现象,从而影响到转换效率的进一步提高.2006年,Rong等[48]提出基于改良硅基波导的四波混频效应的高效波长转换实验系统,系统结构如图5所示.他们首次提出硅基纳米线波导中引入反转偏压pGiGn二极管结构,如图6所示,可以极大缩短载流子的寿命,有效降低由双光子吸收效应引起的自由载流子吸收.实验采用功率为320mW 的抽运光,与10Gb/s伪随机码信号共同通过长度为8cm 的带pGiGn二极管结构的硅基线波导实现波长转换,转换效率为-11.5dB,实验结果如图7所示.

      2007年,Ayotte等[49]对基于硅基波导多信道相位共轭光信号的色散补偿性能进行研究,实验获得4路间隔为100GHz的密集波分复用信号,分别加载10Gb/s的数据信号后,可以在320km 的标准光纤上同步传输.2015年,Chen等[50]提出了基于硅基波导的双抽运四波混频效应实现1310~1550nm 波段的波长转换方案,这种双抽运四波混频结构可以在波分复用系统中实现信道自由选择.

      尽管基于硅基波导四波混频效应的波长转换机制作为一种光生毫米波技术得到了原理性实验验证,但在实用化的进程中,仍存在许多问题亟需解决,诸如波导的色散效应和波导双折射、波导如何设计及选择合适波长满足相位匹配以提高转换效率、如何有效抑制硅基波导中的双光子吸收效应和自由载流子吸收等问题.

4 发展趋势

      随着光通信材料制备技术的发展,硫系玻璃逐渐成为目前的热门研究领域之一.硫系玻璃的非线性折射率n2(n2=2×10-18~20×10-18 m2/W)是石英玻璃材料的100~1000倍[51],易于光学集成,使其可突破现代电子学的速率瓶颈,成为超高速非线性光子集成器件的理想基质平台.几种典型光学材料的非线性参数[52]如表1所示,其中α 为衰减常数,D 为色散参量,γ 为非线性系数,FCA 为自由载流子吸收效应.由表1可见,硫系玻璃材料具有非常高的三阶非线性以及超快的非线性响应,且基本不会受到自由载流子吸收效应的影响,使其在超高速全光信号再生与处理中的应用越来越受到国际上众多研究机构的关注.澳大利亚悉尼大学、英国南安普顿大学、诺丁汉大学以及美国麻省理工学院、佛罗里达大学光学中心等,均在硫系玻璃光器件制备及应用方面取得了大量创新性研究成果[53].

     

4.1 基于硫系波导的四波混频毫米波信号生成

      近年来,随着硫系波导制备技术的发展,硫系波导器件开始在近红外通信波段的超高速全光信号产生和处理领域得到广泛应用.2009年,Luan等[55]提出并验证了基于 As2S3脊型波导的四波混频效应实现全光波长转换的方案.实验中采用6cm 长、2μm 宽、脊高870nm、刻蚀深度350nm 的 As2S3脊型波导进行色散调控,该波导的非线性系数γ=9800 W-1??km-1,反常色散D=29.2ps??nm-1??km-1,满足四波混频的相位匹配条件.当误码率为10-9时,40Gb/s的信号通过这个方案实现全光波长转换,转换带宽为80nm. 2010年,Pelusi等[56]提出基于色散位移 As2S3脊型波导的四波混频效应实现波长变换的技术方案,原理如图8、9所示.该方案基于7cm 长的 As2S3脊型波导实现高速差分移相键控(DPSK)信号和二进制 OOK 信号的全光波长转换,实验验证40Gb/s的 DPSK 信号和160Gb/s的 OOK 信号能分别获得33nm 和15nm 的转换带宽.其中,40Gb/sDPSK 信号的实验中,抽运波长λp为1547nm,信号波长λs在1554~1564nm间调谐,通过波长转换获得闲频光λi在1531~1540nm 之间变化,转换效率为-12.8dB,如图10所示.该研究表明基于硫系波导的四波混频效应在对信号码率、调制格式无限制及存在微小相位失真情况下对信号的处理能力具有强大优势.

4.2 基于硫系玻璃光纤的四波混频毫米波信号生成

       硫系玻璃光纤是目前唯一具备声子能量低、非辐射跃迁几率低和透远红外的光纤类型,而且由于其非线性系数n2比石英材料高两个数量级、响应时间快(亚皮秒)、色散大(可达到-410ps??nm-1??km-1),已成为国外许多研究机构进行全光信号处理、波长转换等应用的重要器件[57].

      2009年,Szpulak等[58]提出基于 As2S3硫系悬吊芯光纤的四波混频效应实现中红外波长转换的理论方案.方案通过改变硫系玻璃光纤的纤芯结构,将光纤的零色散波长偏移到2μm,利用掺铥光纤激光器发射1.8~2.1μm 的抽运光在光纤的正常色散区产生四波混频效应.仿真验证了抽运光波长为1.92μm 时, 1.3μm的抽运光和4.5μm 的信号光在芯径为2.2μm 的光纤中实现相位匹配,且在10~20cm 长的硫系玻璃光纤中利用四波混频效应将近红外波长(约2μm)变换到中红外波长(约4.5μm).

      硫系微结构光纤可通过结构设计灵活调节零色散点位置,以便在厘米级长度的光纤中获得理想光谱波段之间的相位匹配,从而实现四波混频效应.2010年,Nguyen等[59]实验验证了 AsSe硫系悬吊芯光纤的四波混频现象,即 产 生 斯 托 克 斯 光 和 反 斯 托 克 斯 光,实 验 原 理 如 图 11 所 示. 实 验 采 用 非 线 性 系 数 为31300 W-1??km-1的 AsSe硫系悬吊芯光纤(图12),选用脉宽为8ps、波长为1553nm 的脉冲波f1和平均功率为14mW、波长为1557nm 的连续光f2作为输入 AsSe硫系光纤的两个抽运光,两路抽运光混合后一起通过孔径为1.4μm、长为43cm 的 AsSe硫系悬吊芯光纤实现波长转换,且随着f2波长的变化,相应的斯托克斯光和反斯托克斯光波长也随之变化,实验结果如图13所示.该实验波长转换效率达到-27dB,结果表明硫系光纤在全光信号处理的应用中存在巨大潜能.2011年,Bres等[60]首次实验验证了在2.5cm 长的硫化物微结构光纤中,利用其四波混频效应实现脉冲半高频率为8GHz的4ps超快波长转换,波长转换带宽超过50nm.

5 结束语

        基于四波混频的光生毫米波技术作为微波光子学的一个重要方向,因其具有对信号的调制格式无限制、可多波长同时转换、光毫米波带宽可调谐和低功率损耗等显著优势,研究和应用前景十分广泛.综述了基于四波混频的光生毫米波方案的研究现状及进展,分析可知在较低频率毫米波信号产生的技术方案中,与基于 HNLFGFWM 的方案相比,基于SOAGFWM 的方案系统结构更简单,转换效率更高,调谐带宽更宽.但因SOA 有载流子恢复时间限制、与光纤耦合损耗较大及稳定性较差等因素影响,其对光信号的响应速度和转换效率受限,因而在产生40GHz以上高频毫米波方案中一般会选择 HNLFGFWM 机制.

      但是,在实际应用中,因普通非线性光纤的三阶非线性系数一般小于SOA 的非线性系数,因此,需用较长的光纤来激发非线性效应.目前,毫米波产生技术的研究重点正向着低成本、高性能、远距离、高频率的方向发展,简化系统结构并降低成本而获得高性能的高频毫米波信号是未来无线接入技术发展的必然趋势,也是研究毫米波产生技术的主要目标.随着硫系光子器件出现,凭借其超高的非线性特性,以硫系波导和硫系玻璃光纤为主流的硫系光子器件必将成为光生毫米波技术的一个重点研究领域.其中,基于硫系波导四波混频效应的光生毫米波技术因其实现准相位匹配的难度高、波导体积较大、较难与光纤集成耦合等问题,在光生毫米波中的应用受到了限制.而硫系玻璃光纤因其超高的非线性系数和超快的响应速度等优势,将成为利用全光方法生成高频毫米波技术中最具潜力的非线性器件.


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