1.2.1 双波长激光器直接调制法

双波长激光器直接调制法一般是指利用一个激光器输出两个不同波长的光波，双光波耦合后利用光电探测器进行差频而生成毫米波的方法，这是最早的光生毫米波方法。从理论上分析，这种方法非常简单且易实现。但在实际应用中，由于半导体激光器和发光二极管的驰豫振荡和频率啁啾特性，导致调制带宽窄和频率响应度低，因此，早期该方法只适用于低频调制系统。但是，随着光纤环形激光器技术及半导体激光器制备技术的快速发展，双波长激光器的出现极大地丰富了激光器直接调制生成毫米波技术。同时，基于双波长激光器直接调制法是产生低相位噪声（低相噪）毫米波的一种重要方法，该方法可通过一个反馈循环振荡链路生成两个不同波长的光波，这两个光波的相位相关性比用两个独立的激光器产生的两路光波要好很多。同时，该方法具有不需要额外的微波参考信号源、结构简单和成本低等优势。针对双波长激光器直接调制生成毫米波技术方案，国内外许多研究团队已经有大量的成果报道，主要包含基于单纵模双波长光纤环形激光器、外腔光注入锁相双波长激光器和双模半导体激光器三类双波长激光器的毫米波生成技术方案。

早在1995年，David Wake等人提出了一种使用双模的分布反馈（Distributed FeedBack，DFB）半导体激光器通过PD直接拍频生成毫米波信号的技术方案。该方案能产生频率介于40～60GHz之间高功率和高稳定性的毫米波信号，在频谱偏移为100kHz处的相位噪声小于-85dBc/Hz。T.B.Simpson等人提出单波长外腔注入半导体激光器的双波长激光器结构，该方案是利用一个光注入导体激光器输出一路光波去激发被动半导体激光器，通过光注入导体激光器的外光改变被动半导体激光器的谐振耦合激光腔的光场与自由载流子（增益介质）的特性，从而获得两个锁相的波长。1996年，M.Hyodo等人验证了一种基于双纵模微芯激光器生成窄频毫米波的技术方案，该方案能获得线宽为 430Hz 的101GHz毫米波。2006年，陈祥飞等人提出一种基于单纵模双波长光纤环形激光器生成高频毫米波的方案，该系统结构如图 1.4 所示。该方案采用一个双波长光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）与一个普通光纤光栅组合成两个超窄带传输滤波器，保证光纤环形激光器获得两个单纵模光波，通过 PD 拍频后生成频率分别为18.68GHz，40.95GHz，6.95GHz的低相噪毫米波信号。实验中，半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）用作光纤环形激光器的增益介质，让两个单纵模光波共享相同的增益腔，从而减小相对相位波动，有利于在不需要光学锁相环或者光注入锁相结构的条件下生成低相位噪声的毫米波信号。然而，这种方案对 FBG 滤波器性能要求非常苛刻，FBG 性能对毫米波信号的性能起了决定性作用。

2008年，陈东等人提出基于简单的单纵模双波长掺铒光纤激光器生成毫米波的方案，基于光学锁相环的光学外差法生成毫米波系统结构如图 1.5 所示。该方案利用一对标准的FBG充当Fabry-Perot（F-P）滤波器，且两个FBG具有大约 0.12pm 的超小传输带宽。该单纵模掺铒光纤放大器在室温下能输出波长间隔为0.08nm的稳定双波长光波，通过PD拍频获得9.616GHz的微波信号，该微波信号的频率稳定度大于 1MHz，频谱宽度小于 10kHz。然而，这类方法应用的FBG的传输带宽是固定的，因而产生的微波信号的频率也是固定的，不能产生可调谐的微波信号。2014年，Kai Hung Lo等人提出基于光注入锁相环的激光器直接调制生成毫米波方案。该方案获得频率为 45.85GHz，46.06GHz的毫米波，并且该系统能控制生成的毫米波信号频率的抖动范围在 0.1～1GHz之间。2016 年，中国台湾 Cheng TingTsai 等人提出直接基于双模激光器生成60GHz的光传毫米波（Millimeter-Wave over Fiber，MMWoF）无线系统架构，从而使新的光纤无线电接入系统包含 4km 的单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）传输系统和3m的无线16-QAM正交码分复用（Orthogonal Code Division Multiplexing，OFDM）传输系统，实验系统如图1.6所示。通过双模注入锁定结构，激光器的阈值电流为7.7mA，相关强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）为-110.4dBc/Hz。这种毫米波生成系统的结构比较简单，但对激光器的双模锁相要求较高。

图1.4 基于单纵模双波长光纤环形激光器生成高频毫米波系统结构

图1.5 基于光学锁相环的光学外差法生成毫米波系统结构

基于激光器直接调制生成毫米波的方法比较容易生成毫米波，系统结构相对简单。但是，该方法对激光器的性能要求较高，而且想要获得低相位噪声的高频毫米波一般需要通过两种途径：①利用先进的双波长锁模激光器，这种方法对激光器的性能要求很高；②利用光注入锁相或者光学锁相环结构对光波进行锁相，且需要大量超窄带宽的FBG，系统结构会变得复杂，实现难度增加。

图1.6 基于双模激光器生成毫米波系统