当前无线电系统中对窄带业务日益增长的需求，导致无线电频谱中宽带无线系统所需的高容量资源日益减少。为了克服这一限制，人们正在考虑将毫米波无线链路（26-100 GHz）应用于微型/微蜂窝宽带系统、固定无线接入系统和无线局域网。通过子载波复用技术在不同的无线信道间共享毫米波发射机和接收机，可以简化这些无线链路的复杂性。.
在这些无线网络中，毫米波频段的高大气衰减特性使得开发具有更高频率复用率的蜂窝架构成为可能，从而简化了频谱管理。然而，由于覆盖范围较小，需要更多的基站，这就要求基站的设计必须功能简单。如果基站连接到控制站，路由和处理功能就可以集中化，从而简化基站设备。基于上述三个原因，光纤是这些连接的理想介质。此外，如果无线信号以毫米波频率通过光纤传输，基站可以进一步简化，因为其设备仅包含光电元件和电放大器，无需频率转换器。通过光纤直接从控制站传输信号，无需在基站（可能位于难以到达的区域）生成高频载波。因此，为了大规模部署这些系统，必须找到低成本的毫米波光信号生成和检测方法。.
生成技术
目前，激光二极管的最大调制频率约为30 GHz，这使得毫米波频率的直接调制难以实现。另一方面，虽然市面上已有工作频率高达50 GHz，甚至针对特定频段（例如60 GHz）优化的电光调制器，但这些器件价格昂贵且需要高电压。尽管如此，利用更便宜的低频光电元件实现毫米波频率的光调制仍然是一项积极的研究方向。事实上，该研究的重点在于探索新技术，而非改进现有器件的性能或功能。具体而言，已研究的方法包括：激光响应谐振调制、谐波产生和相干光混频。.
第一种技术已通过外腔激光器得到验证，该技术能够增强腔往返时间倍数处的频率。另一方面，谐波产生技术允许将相对低频的光电元件作为毫米波系统的组成部分。所有这些元件都利用了其对输入电信号的非线性光学响应。因此，激光器和电光调制器均可用于此目的，利用高次谐波实现高效的毫米波频率产生。最后，相干光混频也可用于产生毫米波信号。如果两个相干光载波入射到同一个光电二极管上，则会在光电二极管的输出端产生一个频率为两个载波不同频率的信号分量。例如，中心波长为 1550 nm 时，0.5 nm 的频率差将产生一个频率略高于 60 GHz 的信号拍频。然而，该技术通常存在稳定性和产生信号的光谱纯度等问题。另一方面，谐波生成产生的信号具有源自所用参考振荡器的频谱纯度，从而可以合成线宽低于 1 Hz 的信号。.
另一种产生毫米波信号的方法是使用调频激光器，并在其一个输出端施加控制信号。调频激光器的光谱包含若干条谱线，这些谱线之间的间隔为调制信号的频率。通过在光电探测器中对这些边带进行拍频，可以产生毫米波频率。然而，纯调频信号的强度是恒定的，不会在调制频率的谐波处产生任何光电流。因此，需要将信号通过色散光纤传播，以改变边带的相对相位，从而在光电探测器的输出端获得调制信号的谐波。.
尽管上述FM-1M（频率-强度）转换技术已被证明能有效产生毫米波信号，但它需要具有较大频率偏差的激光器才能获得良好的效率。此外，该技术不适用于短光纤或色散位移光纤。为了克服这些局限性，人们还提出了在光纤上使用相位调制器和衍射光栅作为色散元件的方法。.
除了上述技术之外，还可以使用外部调制器，例如马赫-曾德尔调制器或电吸收调制器。马赫-曾德尔调制器在调制频率处产生谐波是基于其传递函数的非线性特性。具体而言，该特性呈正弦波形，具有三个典型的工作区域。线性区域是正常工作区域，但由于其奇次谐波特性，通过高调制幅度，可以获得 3、5、7 等次谐波。此外，被称为 MITB（最小传输偏置）和 MATB（最大传输偏置）的非线性区域会产生 2、4、6 等次谐波，这是由于其偶次谐波特性（分别位于其传递函数的最小值和最大值附近）。最后，电吸收调制器是一种很有前景的谐波产生替代方案，因为其传递函数的非线性程度比马赫-曾德尔调制器更高。.
信号检测
在探测方面，市售高速光电二极管价格昂贵且效率低下。目前，人们正在研究用于毫米波频段的高效率、低成本光电二极管。例如，单片集成光电二极管与光前置放大器以及双极异质结光电晶体管（photoHBT）等。.
光电探测器的主要局限在于其响应度低。由于光前置放大已被证明是提高许多系统信噪比的有效方法，因此，将单片光电二极管和光前置放大器集成在一起，即可构成具有高有效响应度的光电探测器。利用该器件，已实现了 33 GHz 的带宽和 89 A/W 的响应度。因此，高光增益和宽带宽的结合，使得该器件成为毫米波光纤应用的理想选择。.
光敏异质结双极晶体管（photoHBT）是另一种高增益光电探测器的例子。在这种情况下，电学增益是通过晶体管的作用实现的。该器件巧妙地利用了异质结双极晶体管（HBT）的结构，并增加了一个用于光输入的窗口。基于磷化铟（InP）器件的基极-集电极中使用的InGaAs层确保了在1550 nm附近的目标波长处具有强吸收。虽然该器件可以简单地用作光电探测器，但它也可以应用于利用其作为光电二极管和有源电子元件双重特性的应用中。例如，光注入锁定振荡器（OPO）是光纤无线电系统的重要组成部分，因为它允许设计低成本、高功率的振荡器，且对光谱纯度要求没有限制。.
图 1 所示为典型的毫米波收发器配置框图。入射光信号经光电探测器检测后，其一个边带被滤除，用于放大并传输至移动台。该滤波器同时提供返回链路所需的毫米波载波。移动台接收到的信号经放大后，转换为中频信号，并通过激光器经由光纤返回。这种配置大大简化了返回链路的光电电路，因为可以直接使用调制低频激光器。.
通过光纤链路进行传输
光纤的色散对传输频率高于20 GHz毫米波信号的强度调制定向检测（MI-DD）光通信系统的实际传输距离有显著影响。在MI-DD链路中，毫米波子载波通过位于光载波两侧的两个调制边带（上边带和下边带）进行传输。由于色散以及两个边带与光载波之间的高频率间隔，传输光信号的每个频率分量的相位都会发生差分相移。检测后，这种相位差会导致回收的电功率下降，从而降低载噪比。.
光电探测器输出端的电功率随传输距离周期性变化，呈现传输极大值和极小值（零点）。这种周期性变化是由于光电探测器中两个调制频段之间发生的相长或相消干涉造成的，这两个调制频段的相位差取决于调制频率和光纤长度。随着调制频率的增加，这种变化变得更加剧烈。例如，对于 30 GHz 的子载波频率，第一个传输零点出现在约 4 km 的光纤距离处；而对于 60 GHz 的频率，该零点仅出现在 1 km 的距离处。因此，毫米波频率的模拟光系统应用范围相当有限。.
对于给定的通信链路，允许的色散引起的功率损耗取决于具体的功率平衡和可用裕量。然而，为了便于一般分析，通常采用 1 dB 的最大功率损耗。该值可确保色散对系统整体性能（以载噪比衡量）的影响最小。.
图2展示了毫米波光纤的传输距离与光纤色散和副载波频率的关系。可以看出，传输距离与色散呈1/D关系，与副载波频率呈1/f关系。因此，色散或频率的增加都会限制可实现的传输距离。.
使用色散位移光纤可以显著提高性能。然而，如图2所示，在这种情况下，对色散值的容差要求非常严格，因为色散值哪怕只有几个ps/km·nm的变化，也会导致最大传输距离的显著变化（色散参数值越小，曲线越陡峭）。虽然光纤色散通常变化不大，但随着色散参数值的降低，相对变化会更大。因此，在使用色散位移光纤的系统中，必须仔细考虑这一因素。.
模态系统
MODAL（微波光双工天线链路）系统是 RACE II（欧洲先进通信研究与开发）的一个研究项目，旨在寻找光子技术在生成毫米波信号方面的应用，以在欧洲提供移动通信服务。.
在移动通信领域，UMTS（通用移动通信系统）有望提供大部分所需容量。然而，由于UMTS工作在低微波频率，因此无法提供宽带服务。所以，未来的高容量无线网络预计将使用毫米波频谱作为接入介质。为此，欧洲已确定了两个适用于移动宽带应用的子频段：62-63 GHz频段用于基站到移动设备的链路，65-66 GHz频段用于移动设备到基站的链路。由于这些频段的无线电频谱资源充足，因此对高容量系统极具吸引力。移动宽带系统（MBS）就是这样一种系统，目前正处于积极的研究阶段。.
MODAL项目通过研究基于光纤的远程天线单元与中央基站互连技术，为这类系统的发展做出了贡献。此外，该项目还研究了产生这些系统所需毫米波频率的光学方法。最初参与该项目的联盟成员包括阿尔卡特-SEL、威尔士大学、阿威罗大学、雅典国立技术大学和CET，后来又有GEC-Marconi、Caswell、Thomson-CSF、里尔大学和弗劳恩霍夫研究所等新成员加入。.
MODAL项目最初的目标是演示一种工作频率为30 GHz的双向光纤链路。之所以选择30 GHz，是因为当时市面上已有该频段的光电器件。随后，项目目标扩展，工作频率提升至60 GHz，并开发了新型MMIC电路和光电器件以实现更高的频率。图3总结了MODAL项目的范围和应用。.
图 4 展示了 MODAL 系统的拓扑结构。下行链路（基站到移动台）采用双频光源和低频线性电光调制器作为发射端。这种传输技术最适合处理调制子载波，因为其他方法在高频段线性度不足。工作波长为 1550 nm，以便将掺铒光纤放大器 (EDFA) 集成到系统中，从而获得足够的光功率，为远端天线单元的输入端提供所需的电信号质量。.
双源光产生方法利用非线性光电探测过程提供毫米波载波。光源产生两个相干光载波，这两个光载波之间的频率差恰好等于所需的毫米波频率。其中一个载波与低频数据信号进行调制，然后与另一个载波混合，通过光纤链路进行传输。在这种情况下，由于只有一个载波被调制，因此光纤色散不会限制系统的传输距离。在接收端，光电二极管对两个光载波进行非线性拍频，从而产生毫米波载波，传输的数据将被调制到该载波上。.
对于回程链路，我们选择了1300纳米的波长（第二个窗口），这样就可以在两个方向上使用同一根光纤链路。该上行链路（移动端到基站）采用高线性度激光二极管作为光发射器，以最大限度地减少互调失真；同时，它还配备了经过调谐的低噪声接收器，该接收器具有宽动态范围，能够适应移动环境中各种不同的信号电平。.
作者： 弗朗西斯科·拉莫斯·帕斯夸尔。电信工程师。瓦伦西亚理工大学无线电通信教授。
