支撑RoF技术的新型光电子器件及技术

微波光子学作为一个微波技术和光子技术相融合的学科和技术，其发展史可以追溯到激光和光纤发明之初[1]，随着超高速光纤通信技术的成熟、宽带无线个人移动通信的普及以及微波技术在军事、工业和尖端科研中应用的增长，微波光子学正展现出一个生机勃勃的发展机遇和前景。目前，光纤通信技术不断发展与进步，已经实现了单一波长信道的40 Gb/s的高速宽带信息传送，解决了克服光纤中色散、非线性等效应的光学器件和技术问题。用光时分复用技术获得更高频率信号的研究取得了突破，太赫兹技术也在光学科技的推动下取得了快速的进展。而在高频的微波光子学研究的领域中，利用光学方法产生毫米波调制的副载波信号，将光纤传输、高速光电子器件与毫米波信号在空间的辐射传送相互融合，已经成为下一代宽带无线通信技术的发展热点，即光载无线(RoF)技术，其基本概念如图1所示。

通常来说，RoF通信系统基本结构包括双向的收发模块、远端的收发模块和光纤。与传统的无线通信系统技术相比，RoF通信系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点，因此在未来通信、军事上等诸多的领域有着非常重要的应用价值。在激光技术与光通信技术推动下发展起来的RoF用的新型光电子器件，与微波器件相比具有体积小、重量轻、速度快、精度高、效率高、功耗低、价格低等多种优点，将激光、光电子、光纤技术的成果与微波技术的融合，必将带来优势互补，解决一些难以克服的"瓶颈"问题，获得一些意想不到的效果。为此，必须掌握满足毫米波副载波光纤通信需要的关键器件和技术。

1 基于光电子器件的毫米波副载波的光学产生技术

毫米波副载波由于具有较高的频率，很难直接通过激光器的直接调制的方法获得。因此，随着光电子器件技术的快速发展，一些光生毫米波技术在近年来已经被大量的提出，总体归纳起来大致上可分成4种类型[2]：一是使用外部光学调制器法，即利用高速外部光学调制器实现在毫米波频段的调制，如LiNO3调制器；二是采用频率上转换器实现低频微波副载波光纤传输和在基站实现频率上转换的技术，如声光移频器；三是光外差的方法，即利用特殊波长和相位关系的激光器在探测器端的拍频；四是基于一些特殊新型光子器件的光学产生技术，如超结构的光纤光栅、法布里-珀罗(FP)谐振腔和其他一些新型光电子组合器件的应用等。

1.1 外部光学调制器法

外部的光学调制器法[3-5]是一种最简单和传统的毫米波副载波的光学产生方法，其主要的功能器件是一个高速的光学调制器。其原理是从激光器输出的光波经过一个马赫-曾德调制器(MZI)，将携带传输信息的毫米波射频信号直接加载到MZI上，这样输出光波形成一个双边带调制的光学信号，如图2所示。在光学接收器上，每个边带与中心频率发生拍频，产生所需要的毫米波频段的射频信号。但是，这种双边带调制的光波在光纤中传输时，色散效应对不同的频率成分产生不同的相位，使产生的两个拍频的射频信号具有不同的相位，以致于射频信号功率随着传输距离和载波频率呈现周期性的变化。为此需要采用单边带调制[6]、光纤光栅色散补偿[7]和光学相位共轭[8]等方法加以补偿。

1.2 低频微波传输和基站频率上转换法

这种方法[9]主要是依靠一个移频器，即频率上转换器。为了克服色散效应引起的信号损伤，一种可行的方法是在光纤中传输频率较低的副载波，然后在基站利用频率上转换器实现频率的上转换，达到毫米波波段的高频载波。在发射端用电光调制将较低频率的射频副载波调制到光波上，通过光纤传送到接收端，经光电转换还原为低频射频信号，然后上变频到毫米波波段，通过天线发给用户。由于在光纤中传输的副载波频率较低，可以克服色散效应带来的影响。同时，在发射端不需要复杂和特殊的光源，但是在基站中需要增加一个频率上转换器和相关的毫米波电路设备，增加了基站的复杂性和成本。

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术，其性能主要是依赖频率差等于所需要的毫米波频率的两个相位锁定的窄线宽激光器，其中之一携带了需要传输信息的基带数据，在基站通过外差产生毫米波载波信号。在传输光纤中两光波的光谱都很窄，色散效应很小，因此光外差方法既可以克服光纤中的色散问题，又可以简化基站的结构和成本，成为近年来RoF发射机研究工作的热点。由于信号直接调制在一个窄线宽的光波上，这就避免了数十吉赫兹高频调制所带来的困难，又解决了光纤色散对高频调制光信号影响的问题，其基本原理简图如图3所示。

因为在光外差法中采用了