2.4 四波混频法

四波混频（FWM）效应是由介质的三阶非线性极化引起的光学非线性效应，是指不同波长的三个光波（如两个泵浦光和一个信号光）在非线性介质中相互作用而产生新波长的光波（闲频光）的混频过程，即两个频率为ω_p1和ω_{p 2}的泵浦光与一个频率为 ω_s的信号光相互作用，产生出一个新的频率为 ω_i的闲频光。泵浦光、信号光和闲频光之间应满足表达式ω_p1+ω_{p 2}=ω_s+ω_i，泵浦光将能量有效地转移给信号光和闲频光，从而放大了信号光和闲频光。当输入的泵浦光和信号光满足相位匹配条件时，四波混频效应会非常明显。此外，四波混频效应分为简并和非简并两种情况。当ω_p1=ω_{p 2}=ω_p时，则只需要一个泵浦光ω_p和一个信号光 _sω就可以激发起四波混频获得两个闲频光（ω_i1和ω_i2 ），称之为简并四波混频；反之，则为非简并四波混频。后文讲述的四波混频皆为简并四波混频，其工作原理如图2.12所示。

基于FWM效应的光生毫米波系统结构一般由五部分组成，分别是LD激光器模块、全光波长转换模块、可调谐光滤波器模块、光波混频模块和光载毫米波信号生成模块，系统结构如图2.13所示。工作原理为输入的一个或两个激光信号通过全光波长变换及光学滤波后生成具有一定波长间隔的两个新的光波，这两个新的光波通过 PD 进行光学混频，生成的差频信号即是所需要的毫米波信号。其中，全光波长转换模块不仅是光载毫米波系统中利用光学方法传输毫米波信号的基础，更是利用全光手段生成高频毫米波甚至太赫兹波信号以降低成本的重要途径。

图2.12 简并四波混频的工作原理

图2.13 基于FWM效应的光生毫米波系统结构