应用于5G前传的光生毫米波

1、张聪辉信息与通信工程 31656016 5G通信要求在小基站的传输速率达到多个Gb/s，因此需要利用毫米波信号进行传输。但是在电领域内产生毫米波信号非常困难，因此很多研究趋向于在光领域产生毫米波。本文提出了一种应用于5G前传的光生毫米波方法，能够产生60GHz的毫米波信号并且在ROF上传输5GHz带宽的OFDM信号。为了实现这个目的，天线的设计必不可少。系统中对小基站的性能进行了分析，还对误差矢量幅度（EVM）进行了测量。1.基站建设、传输速率、高信道容量以及关键技术的应用和介绍是5G的主题。5G的高速无线接入集成在图一中进行了展示。图1. 下一代5G光无线接入网2.对图一的简单介绍。3.由于

2、在光电二极管中多个纵模的相互作用，所需要的电毫米波信号被产生了。4.有很多用光学方法产生毫米波的方法，（文献7-30）包括双模激光器、利用光相位锁或者注入相位锁的不同激光外差的方法、锁模激光器、光外调制光外差技术、非线性性能包括四波混频、受激布里渊散射，还有一种就是利用光频率梳，光频率梳通过控制DFB激光器的增益产生，光梳技术提供了一个在20GHz控制范围内灵活选择光频率的自由光谱范围，并且提供了一个极好的信噪比信号。（具体内容见参考文献）5.由双模激光器产生的双波长或者是两个相干性很低的激光器产生的两个纵模相互拍频产生的毫米波有很低的频谱纯度（文献31、32）。锁模激光器可以产生一个宽带宽的

3、频率梳，这导致了一些问题，包括凹陷处的复杂性以及FSR（自由频谱范围）的锁的调谐性（固定的凹陷长度产生）。更多的是，个别梳线的线宽很大以及在两个光带间有着不好的相干噪声，导致产生的毫米波信号有很大的相位噪声（文献33）。由非线性效应产生的纵模有很高的相干性，但是所需要的泵浦光功率很大并且转换效率低（文献34）。更多的是，在光纤中引入了布里渊频移导致产生的毫米波信号的频率受限（文献35）。外调制器有很大的插入损耗尤其是当调制器级联的时候，偏置点漂移会导致调制的不稳定性以及耦合效率降低，同时使用外部调制技术复杂性高（文献36）。6.（1）均匀增宽：每一发光原子所发出的光，对谱线宽度内任一频率都有贡

4、献，而且这个贡献对每个原子都是相同的，这种增宽叫均匀增宽。（2）在多普勒增宽中，虽然每一静止原子所发光的中心频率均为v0,但相对接收器具有某一特定速度的发光原子，所发的光只对谱线内该速度所对应的表观频率有贡献。各种不同速度的原子对fD(v)中的频率有贡献。也就是说，不同速度的原子的作用是不同的。这种增宽叫做非均匀增宽。（3）激光器内部模式竞争：对于纯均匀加宽介质的激光器，无论有多少频率满足空腔振荡条件并落在增益线宽内，往往只是一个频率（纵模）获得大于损耗的增益形成激光振荡。在均匀加宽介质激光器内，通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其他的模式振荡抑制下去，最后只剩一个纵模振荡的现象，叫做模的竞争。

5、 双波长光纤激光器是产生毫米波射频信号的一种令人感兴趣的方法（文献37-40），由均匀展宽造成的模式竞争（文献41）成为产生稳定的多波长震荡的主要挑战。现在有很多方法来解决模式竞争的问题，例如四波混频（42）、偏振烧孔（43）、级联受激布里渊散射（44），分别用TDFL、YDF、EDF。很多方法被提出来用于在室内温度实现多波长操作，用于减少交叉增益饱和抑制模式竞争。四种方法（45-48）。7.最近,作者展示了使用光子晶体光纤（PCF）产生可调谐双波长间隔类似于MZM干涉仪使用偏振依赖损耗(PDL)效应（49）。这个双波长光纤激光器具有窄线宽和高功率稳定性，使用PCF的好处在于灵活性高并且波长取

6、决于他的性能，这使得这种材料成了用于EDF的波长选择滤波器的理想材料（50）。本文描述方案的中心原则是产生稳定的具有特殊间隔的双波长光纤激光，为了获得连续的高质量的稳定的60GHz信号。8.为了实现60GHz毫米波无线传输的目的，需要使用天线。作者在（文献51）中提出了一种4阵元密集介质补丁阵列天线，频率是28GHz，应用于未来的5G短距离无线通信。他的尺寸很大，结构复杂，有大的阻抗带宽和16dB增益，使用EBG和电介质覆盖。方案中60GHz天线被设计和使用在我们提出的5G系统中。更多的是，在这个方案中，仅仅使用了10cm的PCF，就产生了双波长光纤激光，从而产生了一个比较好的输出信号。因此这

7、种方案不仅使用单一和密集的环激光腔产生了DWFL，而且产生了相干性好的可调谐的DWFL。因此，用这种方法产生的射频信号是单一的、可调谐的并且更稳定的。产生60GHz射频信号的实验装置图2.产生双波长光纤激光的实验设置 PCF具有很多独一无二的性能，例如宽范围的单模操作、色散灵活、很大的波长区域（52）。它的固有的优点让它可以作为干涉仪，由于它的波长独立性能，因此也可以用于波长选择滤波。例如在图2当中将PCF插入光纤之中，和光纤有两个连接区，这两个连接区相当于MZM干涉仪的光耦合和光分离器。在PCF中，一部分的基核模可以耦合到一个或者几个包层模上。包层和中心核的折射率不同，因此光在长度为L的PC

8、F上传输会产生相移。由于包层的折射率要比中心核的折射率小，因此，通过连接点分离的光在PCF核和包层的传输对应于MZM干涉仪的臂。基模和包层模就由于不同的传输速度会造成相位差异，这个相位差异取决于PCF的长度和导向波的波长。 在第二个连接区包层模和中心核模进行耦合，自从相位差异和相位速度由波长决定，在干涉仪上传输的光功率在某一个确定的波长最小，在其他的波长上最大，两个干涉模的波峰之间的距离表达为：2=/eLn图3.产生的双波长谱（a）与电毫米波信号谱（b）图4.射频谱分析仪上的电毫米波信号(a)，每隔十分钟扫描一次， 验证射频信号的稳定性(b)图4.产生的射频信号的功率和频率变化，每十分钟扫描一

9、次(c)，每20ms扫描一次(d)图5.提出的天线阵的原理图图6.提出的60GHz天线阵的辐射模式（阵列因子）图，E平面(b),H平面(c)图7.系统设置图图8. 5G无线射频信号的产生表1.OFDM信号参数EVM图和眼图见论文：图9.各个信道的EVM随着随着纤长度的变化曲线图(a) 10km光纤链路，5m无线链路的星座图(b) 20km光纤链路，5m无线链路的星座图(c)图10.不同无线链路长度的EVM随着光功率的变化曲线(a) 2m无线链路的眼图(b) 5m无线链路的眼图(c)这些放大器是低噪声的，并且对信号的偏振不敏感，可以简单的实现（56）。误差矢量幅度表达式参数具体解释见论文，引用参

10、考文献（55）。 首先，测试的系统的EVM性能基于一个固定的5m的无线链路，光纤链路的长度在变化。第二，光纤链路超过20km，无线链路长度变化从1到10m，测试系统EVM性能。图9展示了不同单模光纤链路长度和不同的无线信道的16QAM OFDM信号的EVM性能。使用可变光衰减器（VOA）将光功率稳定在0dBm ，图9中的b和c星座图展示了5m无线链路的EVM低于10%。 在图10中，系统性能对无线距离的依赖性被研究。光纤长度20km，功率变化从-3到5dBm，三个不同的无线链路距离的EVM被测量，随着距离的增加，自由空间的路径损耗造成EVM性能退化，可以理解为无线传输的最大距离为10m的时候，链路的功率损耗是0.7dBm，这个眼图也展示了2m和5m无线传输的优势性能。 本次研究产生了双