1.2.3 外调制器法
外调制器法一般都是使用某种 EOM 实现光载波调制，比如相位调制器（Phase Modulator，PM）、马赫·曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）和光电振荡器（Optoelectronic Oscillator，OEO），然后利用PD拍频生成毫米波信号的方法。随着EOM研发和制备技术不断成熟，该方法系统结构比较简单，具有较高的可靠性，实现成本不断降低。
1992年，O'Reilly等人最先提出利用强度调制器的载波抑制法产生毫米波技术，他们用LiNbO3调制器将18GHz微波调制到激光上，再用光电探测器将已调信号的上下两个边频进行拍频，得到36GHz的毫米波。这样的系统被用于远程视频传输中。1994年，他们提出利用电光调制生成四倍频的毫米波信号方案。与二倍频的方法不同，该方法是利用光强度调制器的二次响应，通过调节MZM 的偏置电压实现对光载波一阶和三阶光边带抑制调制，则可以实现利用一个15GHz的驱动电信号通过MZM获得60GHz的毫米波信号。然而，为了确保在光电探测器输出端获得干净的毫米波信号，将利用一个非平衡的马赫·曾德尔调制器抑制不需要的光谱成分，该滤波器的自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）等于MZM输出的两个二阶光边带的频率间隔。2005年，姚建平小组提出利用高功率的射频信号驱动LiNbO3调制器，并结合FBG滤波器实现载波抑制调制以获得两个二阶光边带，最后在光电探测器中拍频以实现四倍频，实验获得32～50GHz的带宽可调毫米波信号。2003年，P.Shen等人提出基于PM产生60GHz毫米波的方法。该方法利用一个F-P滤波器来选择两个二阶光边带，利用PD拍频获得毫米波信号。2005年，Qi等人用RF信号对单个光波进行相位调制，射频调制信号的频率从18.8GHz调到25GHz，通过PD将已调信号的上下边带进行拍频，分别获得37.6GHz，50GHz，75.2GHz，100GHz的毫米波信号，系统如图1.10所示。
图1.10 基于相位调制器生成毫米波系统
因为MZM具有带宽较宽、可抑制啁啾性能、波长独立等优点，目前在光通信领域中得到了普遍应用。2005年，Mohmoud Mohamed等人基于两个级联MZM 和光滤波器获得六倍频的毫米波信号。姚建平等人提出并实验验证了一种基于两个级联 MZM 和光可调谐移相器获得八倍频的毫米波信号的方法。2006年，M G.Larrode等人提出基于PM和马赫·曾德尔干涉仪（MZI）的光生毫米波方案，并实验验证不仅能生成 40GHz 的光载毫米波，还实现了将16-QAM和64-QAM的数字信号加载到光载副载波上通过25km的单模光纤传输。2007年，湖南大学余建军等人提出基于强度调制器双边带调制的毫米波生成方案，实现了 40GHz 的全双工光载毫米波系统。他们在中心站利用频率为10GHz的RF信号驱动MZM，通过MZM的双边带调制方式可以生成40GHz的毫米波信号，然后利用 20km 的单模光纤传输到基站，通过 PD 拍频后生成毫米波传输给用户。同时，在基站生成的毫米波作为上行链路的本振信号，减少了上行链路的本振信号源，简化了系统结构，提高了系统性能。2009年，北京邮电大学张晶等人提出并实验验证了一种基于双平行马赫·曾德尔调制器（Double-Parallel Mach-Zehnder Modulator，DP-MZM）获得六倍频的毫米波信号方案。2010年，马建新等人提出并实验验证了一种基于DP-MZM获得八倍频的高频毫米波信号方案，系统结构如图1.11所示。清华大学李沫等人提出并验证了一种基于两个级联 MZM 并利用 SOA 获得十二倍频的高频毫米波方案。2011 年，中国台湾国立交通大学提出一种基于两个级联 DP-MZM 生成八倍频毫米波的技术方案。2013年，张方正等人提出并实验验证了基于DP-MZM的超宽带毫米波生成方法。该系统包含了连续光激光器、DP-MZM、光带通滤波器（Optical BanDpass Filter，OBPF）和PD，该方法生成了一个频率为25GHz的微波信号，-10dB带宽为5.5GHz。2014年，李等人提出基于级联PM生成毫米波方案。然而，该方案利用一个F-P激光器腔对两个连续波长激光器输出光波进行相位锁定，从而限制了生成毫米波信号的频率变化范围。2016年，高永生等人提出并验证了利用一个连续波长激光器和一个PM获得可调谐毫米波的系统方案，该方案能获得从10GHz到120GHz的可调谐毫米波信号。
外调制器毫米波生成除了以上几种方案，还有一种比较受欢迎的毫米波生成方案，即基于OEO的毫米波生成方案。OEO不仅具有良好的可调谐性能，而且能对光波进行锁相，所以比较容易产生高质量的上百GHz的毫米波信号，系统具有较小的相位噪声。与传统的光注入锁定技术、光学锁相环技术相比，基于OEO的毫米波生成系统不需要参考微波源。
图1.11 基于DP-MZM的光生毫米波系统结构
1982年，Neyer等人首次提出基于光电振荡器的毫米波生成系统，主要包含小线宽的激光源、电光调制器、光滤波器、光放大器和光电探测器等器件。1996年，X.Yao等人完成了对光电振荡循环系统结构框架的理论分析，通过实验验证了该系统结构的特点，并对各个组成部分进行了优化。早期的光电振荡循环方案系统结构设计复杂，实用性非常差。2011年，姚建平团队提出一种基于 OEO 结构生成可调谐毫米波的系统方案。该方案采用一个相位调制器，一个波长可调谐的光滤波器，光相位调制器和移相光纤布拉格光栅滤波器。传统的基于 OEO 的生成毫米波系统一般包含电光调制器、光电带通滤波器、光电探测器和移相器（Phase Shifter，PS）等光电器件，因此这些光电器件的频率带宽对毫米波的最高频率产生了极大的影响。为了解决频率受限的问题，2014年，清华大学王强等人提出并实验验证了一种基于OEO倍频生成100Gbit/s的时分复用系统，该系统结构如图1.12所示。该系统误码率为10-9，功率损耗为-2.4dB。2016年，中国台湾Chung Yi Li等人提出基于MZM的光电振荡系统来获取毫米波信号的技术方案，可以实现下行链路分别为 10-Gbit/s/30-GHz，15-Gbit/s/50-GHz，20-Gbit/s/60-GHz，25-Gbit/s/100-GHz 的信号传输。然而，现有大多数报道的基于 OEO 的生成毫米波技术方案不利于高频毫米波信号的生成，主要原因是 OEO 对光电带通滤波器质量要求很苛刻，并且调制频率受到电光调制器的调制带宽限制。
图1.12 基于OEO结构生成毫米波系统