光子毫米波及光纤无线通信（RoF）
随着对信息需求的不断增加, 解决无线频谱资源日益紧张的问题成了刻不容缓的亟需解决的重要研究课题, 无线通信系统向毫米波通信方向发展能够提供更大信息容量[1]。毫米波（30－300GHz）的产生可以通过电学方法和光学方法实现。电学毫米波源主要有真空电子器件和固态功率源。真空电子器件虽然可产生很高的输出功率，但是制作工艺困难，器件体积庞大。固态毫米波振荡器受到结电容等电气性能的影响，调谐范围较窄（大约10%），并且幅频特性差，相位噪声高。然而，基于光学方法的毫米波源相位噪声低，连续调谐范围可以达到90%。因而，光生毫米波技术成为产生高性能毫米波的有效技术手段。
光子毫米波（30-300GHz）是一个交叉领域，主要研究微波与光的相互作用。其应用领域涉及宽带无线网、传感器网络、雷达、卫星通信、测试设备以及国防系统[2-4]。光子毫米波的主要研究内容涉及到毫米波频域内的光子产生、处理、控制、信号分布以及数模转换等问题[5]。
在过去的几十年里，为了满足各种应用领域的需求，多种光子技术被相继提出，包括光注入锁定[6]、光学相位锁定环[7]、光注入相位锁定[8]、双波长激光源拍频[9]和外调制[10]。为了获得高质量的毫米波信号，用于外差的两光波的相位必须高度相干，利用光注入锁定法可以满足此要求。这方面的技术方案可以分为两类：（1）利用两个不同波长的伺服激光器被微波信号调制的主振荡激光器锁定，然后拍频获得光子毫米波；（2）利用一个多模伺服激光器被微波信号调制的主振荡激光器锁定，然后拍频获得光子毫米波。此方法必须要求激光器的工作模式相当稳定，注入频率与伺服激光器的振荡模式失谐较小，否则在模式竞争中将被抑制。而且该方法获得的光子毫米波的频率较低，不超过35GHz。获得高度相位相干的另外一种方法是光学相位锁定环法，利用光学相位锁定环可以将一台激光器的相位主动锁定到另外一台激光器上，再拍频获得光子毫米波。此方法获得的光子毫米波的频率不超过34GHz。为了进一步提供毫米波光谱质量，注入相位锁定方法应运而生，其思想是将注入锁定和相位锁定合并在一个系统中。具体而言，将主振荡器输出的光分为两路，一路被相位调制器频率调制，然后输入伺服激光器注入锁定，伺服激光器的某一模式被锁定到调制信号的一个边带，最后将伺服激光器输出的激光与另一路光耦合拍频，进而获得了光子毫米波。此方法获得的光子毫米波的频率仍不超过40GHz。双波长激光源拍频法不同于光注入锁定法和光注入相位锁定法，从双波长激光源输出的两个不同频率的光的相位尽管没有锁定，但由于出自同一谐振腔，因此双波长激光源的相位相关性相比两个独立运转的激光源要好得多。使用双波长激光源的另外一个优势是不需要采用参考光，进而使系统极大地紧凑，成本也降低了很多。该方法产生的光子毫米波的频率可以提高到了40.95GHz。相比前面的几个方案，外调制法不仅可以获得高质量光子毫米波，而且可以提高输出频率。外调制法主要通过强度调制器或相位调制器对载波信号实现幅度和频率调制，然后操作频谱边带，再借助滤波器从而获得光子毫米波信号。这种方法有望将光子毫米波的频率提高到100GHz以上。
频谱边带操作包括双边带和单边带处理。由于色散效应，对于无线光纤通信（RoF）来说，双边带调制并不是最佳选择，尤其对于高频微波和长距离传输链。因为被微波调制的双边带信号将遭受严重的色散诱导功率损失。此功率损失的根本原因在于载波与两个边带的传播速度不一样，而且上边带和载波的拍信号与下边带和载波的拍信号是相消干涉而非相长干涉。尽管使用一定长度的光纤或啁啾光纤布喇格光栅能实现色散补偿，但无疑这将极大地增大了系统成本。而单边带调制不仅可以消除色散补偿而且还可以极大地降低系统成本。因此，单边带调制在光子毫米波源研究中的优势不言而喻。
图1基于双端口马赫－曾德尔调制器的单边带调制
对于单边带调制，常用的方法是使用射频信号驱动双端口马赫－曾德尔调制器，进而获得单边带光学信号[11]。如图1所示。将射频信号与马赫－曾德尔调制器的两个端口相连，两射频信号相差900相位。输出信号由载波和单边带组成。由于射频信号驱动马赫－曾德尔干涉仪后获得的光学信号在数学形式上符合贝塞尔函数，因此调制电压和直流偏置电压的变化将直接影响到谐波幅度和谐波阶次。无论如何，这种方式获得的毫米波信号质量并不高，因为毕竟有其他阶次的谐波包含在里面。而且，产生的光子毫米波的频率也不高，如下图所示的光子毫米波的输出频率即为射频信号的频率W。
单边带也可以通过使用光纤布喇格光栅（FBG）获得[12]。为了抑制另外一个不需要的边带，需设计极窄带宽（比如1pm左右）的FBG。2005年，Chen等人利用等效相移技术获得了超窄带FBG,其透射带宽仅0.4pm[13]；2006年，他们利用这种超窄带FBG成功实现了单边带调制，并最终获得了11.2GHz的光子毫米波[14]。2009年Savchenkov等人开发了一款具有宽调谐的单边带电光调制器，他们通过调节调制器的温度和电压进而改变单边带的输出模式，实现了输出模式的可调谐性，其调谐效果可以达到1GHz/K和80MHz/V[15]。同年，Kim等人利用梳状滤波器和半导体光放大器构建了一种全光单边带上转换器，利用这种上转换器并借助1GHz中频和局域振荡器的混频，他们最终获得了从15GHz到42.5GHz的光子毫米波信号[16]。仍然是这一年，Li和Yao利用两个马赫-增德尔调制器和一个双向反对称马赫-增德尔干涉仪实现了单边带调制，然后结合重复频移最终获得了180GHz频谱宽度的光频梳[17]，这为获得180GHz光子毫米波打下了坚实的基础。2010年，Sagues和Loayssa提出了一种利用受激布里渊散射获取单边带的技术方案，该方案可以产生从50MHz到20GHz范围的光子毫米波信号，为了证实该想法的合理性，他们利用该技术方案证实了偏振对损耗的依赖性以及相移FBG的微分群延时等实验特性[18]。同年，北京邮电大学的Li等人提出了基于循环移频器的单边带调制器能实现T-bit/s的光传输理论预言[19]。2011年，Hraimel等人利用两个平行的马赫-增德尔调制器不仅获得了单边带调制而且还获得了光载波与边带比的可调谐功能[20]。他们通过改变偏置电压，进而改变了载波与边带比；通过改变调制深度和消光比进而可以获得最大频率的光子毫米波输出。
总之，上述的单边带调制都是基于载波抑制的前提下对两个边带实现操作而获得的。这样做尽管抑制了光色散，但功率的利用率却大大降低，因为这些方案总是力图消除掉一个边带，并且始终没有考虑中心载波的有用性。正是在该背景下，我们提出了一种基于全光纤的宽调谐光子毫米波产生原理与技术的研究方案。在该方案中，我们不仅不会抑制中心载波，而且还要充分利用中心载波实现高输出频率的光子毫米波；而且，我们也不会预先刻意消除掉哪一个边带，只是全由光纤布喇格光栅滤波最终决定。
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