1.2.4 四波混频法
利用非线性效应产生毫米波信号的方法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，极大地简化了系统结构，并利于系统集成降低成本。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，主要包括自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）、交叉相位调制（Cross-Phase Modulation，CPM）、四波混频（Four Wave Mixing，FWM）、受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）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关，且所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。目前的研究热点主要是基于半导体光放大器、高非线性光纤（High Non-Linear Fiber，HNLF）和非线性晶体等介质的四波混频效应来产生毫米波信号。其中，本书将基于半导体光放大器产生的四波混频效应简称为SOA-FWM，基于高非线性光纤产生的四波混频效应简称为HNLF-FWM。
1.2.4.1 基于半导体光放大器的四波混频法研究现状
2006年，加拿大渥太华大学姚建平团队提出基于SOA-FWM产生六倍频毫米波信号的系统方案，实验利用5.6GHz射频驱动信号可获得33.6GHz的光生毫米波信号。2007年，韩国光州技术学院Kim等人基于SOA-FWM利用2.5GHz的光中频信号和37.5GHz本地光振荡信号混频而获得40GHz光生毫米波信号。2011年，Kim等人提出一种基于SOA-FWM的全光毫米波生成实验方案，实验利用八路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系统。2013 年，加拿大拉瓦尔大学 Beno rˆt 提出正交调幅信号基于SOA-FWM的波长变换生成毫米波信号方案。
在国内，相关方面研究也取得一些研究成果。2009 年，清华大学李沫等人提出基于 SOA-FWM 的全双工光生毫米波系统，如图 1.13 所示。该系统利用15GHz射频信号驱动MZM，通过载波抑制调制获得间隔为30GHz的泵浦波信号，信号光波和泵浦波混合后通过SOA-FWM实现波长变换获得两个闲频波。
图1.13 基于SOA-FWM生成60GHz光生毫米波信号系统原理
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生毫米波信号一同传输到基站，然后通过光电探测器混频获得60GHz毫米波信号。此系统实现了分布式光本地振荡信号再利用，上行链路中减少了电光本振器的应用，利于简化系统结构，有效减少系统噪声干扰，是典型的基于SOA-FWM的光生毫米波实验系统。同年，湖南大学余建军团队提出了一种偏振不敏感、基于SOA-FWM的毫米波信号生成方案。该方案采取单边带调制技术有效减少了光纤色散的不利影响，增加了传输距离。同时，因采用双泵浦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，北京邮电大学提出一种基于SOA-FWM的双向光生毫米波系统新方案，即基于差分马赫·曾德尔调制器（Differential Mach-Zehnder Modulator，DMZM）固有的非线性特性，结合 SOA-FWM 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。不足之处是使用环形光路较多，影响光能转换效率，增加了相位噪声。2013年，电子科技大学项宇等人提出两组正交偏振的泵浦波利用SOA-FWM获得10个新频率光波的光生毫米波方案，可应用于多基站光生毫米波系统的多路毫米波信号生成。2015年，北京邮电大学提出不归零正交相移键控（Non-Return-Zero Quadrature Phase-Shift Keying，NRZ-QPSK）信号基于SOA-FWM的多信道同步传输系统，并验证了两个速率为25Gbit/s的NRZ-QPSK信号通过SOA-FWM效应可以产生多种不同频率的光生毫米波信号。
1.2.4.2 基于高非线性光纤的四波混频法研究现状
2008 年，丹麦科技大学提出采用一种基于新型椭圆保偏纤芯的HNLF-FWM效应，实现640Gbit/s数据信号的全光波长转换方案，该方案能达到零误码率且平均接收偏振敏感保持在-3dB 左右。2010 年，新加坡南洋理工大学王大伟等人分别对基于SOA-FWM和HNLF-FWM效应实现的多信道波长变换在减小偏振敏感方面进行比较分析，在输入信号功率较大时，HNLF比SOA的偏振不敏感性强，且对于输入信号分别为OOK（On-Off Keying）信号和PSK （Phase Shift Keying）信号时，使用HNLF进行波长转换产生的功率损耗要小于使用 SOA。2015 年，日本东海大学 Sharif 等人提出并验证了一种基于HNLF-FWM 实现归零差分相位键控（Return-Zero Quadrature Phase Shift Keying，RZ-QPSK）信号的波长变换方案，且该方案允许泵浦信号的带宽可调谐。同年，加拿大国家科学研究院 María R 提出一种基于 HNLF 的交叉相位调制（Cross-Phase Modulation，CPM）和四波混频效应联合作用进行全光上下变频的理论方案，该方案理论证明可通过激发HNLF的CPM效应产生短时的全息影像，从而在不需要相位匹配条件下进行FWM以实现毫米波生成。
国内研究虽然起步较晚，也有一些代表性的成果。2010年，湖南大学余建军等人提出基于非线性铋基光纤的FWM效应实现全光上变频生成60GHz毫米波的技术方案，如图 1.14 所示。他们利用 30GHz 射频信号驱动强度调制器（Intensity Modulation，IM）获得间隔为60GHz的两个泵浦光，两个泵浦光和10Gbit/s开关键控信号混合经过2m长铋基光纤的FWM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地传输 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。
图1.14 基于铋基光纤FWM效应的偏振不敏感全光毫米波生成系统结构原理
1.2.4.3 基于硫系波导的四波混频法研究现状
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，悉尼大学的Luau等人提出并验证了基于As2S3脊型波导的FWM效应实现全光波长转换的方案。实验中，他们采用长6cm、宽2μm、脊高870nm和刻蚀深度350nm的As2S3脊型波导进行色散调控，该波导的非线性系数为9800W-1km-1，反常色散为 29.2ps/nm·km，满足 FWM 的相位匹配条件。当误码率为 10-9时，40Gbit/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等人提出基于色散位移 As2S3脊型波导的 FWM 效应实现波长变换技术方案，原理如图1.15所示。该方案基于7cm长的As2S3脊型波导实现高速差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）信号和二进制开关键控（On-Off Keying，OOK）信号的全光波长转换，实验验证了 40Gbit/s 的 DPSK 信号和160Gbit/s 的 OOK 信号能分别获得 33nm 和 15nm 的转换带宽。其中，在40Gbit/s DPSK信号的实验中，泵浦波长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。该文献表明基于硫系波导的FWM效应在对信号误码率、调制格式无限制及存在微小相位失真的情况下，在对信号处理能力方面具有强大的优势。
图1.15 基于As2S3脊型波导FWM效应的波长变换系统结构原理
1.2.4.4 基于硫系光纤的四波混频法研究现状
硫系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等特性的光纤，而且其非线性系数n2比石英材料高两个数量级，具有响应时间短（亚皮秒）、色散大（可达到-410ps/nm·km）等优秀特性，使得硫系玻璃光纤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。
2009年，波兰弗罗茨瓦夫理工大学的Szpulak等人提出通过基于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。该方案通过改变硫系光纤的纤芯结构，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的泵浦光，在光纤的正常色散区产生FWM效应。仿真验证了当泵浦光波长为1.92μm时，1.3μm的泵浦波和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来实现四波混频效应。2010年，新加坡南洋理工大学的Nguyen等人实验验证了AsSe硫系悬吊芯光纤的FWM现象，即产生斯托克斯光和反斯托克斯光，实验原理如图1.16所示。实验中，他们采用非线性系数为31300W-1·km-1的AsSe硫系悬吊芯光纤，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 硫系光纤的两个泵浦光，两路泵浦光混合在一起通过孔径为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。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，美国加州大学Camille 等人首次实验验证了在2.5cm长的硫化物微结构光纤中，利用其FWM效应实现脉冲半高频率为8GHz的4ps超快波长转换方案，波长转换带宽超过 50nm。2018 年，刘丽等人基于四波混频效应的毫米波生成技术发展现状的研究指出，基于AsSe硫系光纤的FWM效应的毫米波生成技术具有超宽带宽、尺寸小、集合程度高等优势。
图1.16 AsSe硫系光纤的FWM效应的实验原理
随着硫系光子器件的出现，凭其超高的非线性特性，以硫系波导和硫系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。但是，由于四波混频光生毫米波技术对光学器件要求较高，而且要求严格的相位匹配，广泛应用还需要一段时间。