基于OptiSystem的5G毫米波信号仿真实现

杨慧春，高晶敏，王丽霞，陈福斌，付晓辉

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100092)

0 引言

光生微波是指利用光子技术来生成高频微波信号[1]，由于高频微波具有低相位噪声、高稳定性以及超窄线宽等优点，在5G移动通信等方面得到了广泛应用。我国5G移动通信应用的电磁频段为3.3～3.6 GHz、4.8～5.0 GHz及正在研究的24.25～52.0 GHz的毫米波频段。本文利用光生微波探讨5 G高频段信号的产生方法。

与电生微波相比，光生微波有着多方面的优势，包括可以产生可调谐的高频微波、低相位噪声以及可长距离传输等。近年来，光生微波技术已经成为业界的研究热点，目前常见的光生微波方法有：1)将两束激光进行拍频产生微波，即光外差法；2)外调制激光产生微波；3)注入锁定产生微波。

光外差法能否生成稳定的微波信号关键在于如何获得两束激光。文献[1]提出了一种新型的双波长单纵模环形光纤激光器，两个单纵模激光在光电探测器(Photodetector，PD)上拍频，对应获得18.68 GHz、40.95 GHz和6.95 GHz三个微波信号[1]。文献[2]基于光外差法设计了60 GHz毫米波信号的产生，在OptiSystem 软件下对射频RoF系统进行了数值仿真。

本文基于OptiSystem仿真软件将波长间隔为0.2 nm 的两激光耦合后在光电探测器上进行拍频，得到24.5 GHz 的微波信号，探索了一种有效的5G高频信号的产生方法。

1 光生微波及四波混频效应的原理

光外差系统根据选择的光源个数可以分为单光源和双光源外差系统。单光源系统的优点是参与光外差的两束光来自同一激光器，相位拥有很好的相关性，生产的微波受相位噪声影响小，信号谱线很窄。而当两束激光来自两个独立的激光光源时，由于每个激光器产生激光的相位随机，为了获得稳定的微波信号，必须采取一定的措施来锁定两个激光的相位[2-3]。相位锁定装置的使用将不可避免地增大光生微波系统的复杂性。

假设光外差系统中两束激光电场分别为[4]：

E1=cos(2πf1t+φ1)

E2=cos(2πf2t+φ2)

(1)

式中：f1、f2分别为两束激光的频率；φ1、φ2分别为两束激光的初相角。两束单纵模光波通过耦合器耦合后连接到光电探测器上，通过光电探测器进行光电转换，在探测器上可以观察到产生的微波信号，光生微波的工作原理如图1所示。

激射在光电探测器上进行拍频叠加后的信号为

I=(E1+E2)2=

[cos(2πf1t+φ1)+cos(2πf2t+φ2)]2=

cos[2π(f1+f2)t+(φ1+φ2)]+

cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]

(2)

式(2)各项分别为：直流项、二倍频项、频率之和项、频率之差项。设置光电探测器的截止频率，滤掉直流分量和高频部分，可实现其只响应式(2)中的频率之差项“拍频”部分，所以光电探测器的输出电流：

i(t)≈cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]

(3)

即为拍频信号，其中f=f1-f2即为拍频频率。

为了通过光外差拍频技术得到稳定的微波信号，两束单纵模激射波还必须满足以下两个条件：相位漂移必须足够小，即值φ1-φ2越小越好；频率差保持稳定，即f1-f2变化越小越好。

光纤激光器按照不同的分类方法，可以分为多种类型：按照谐振腔的结构可以分为环形腔光纤激光器、法布里—玻罗(Fabry-Perot)腔光纤激光器、环路反射器光纤谐振腔激光器、“8”字形腔光纤激光器、DBR(distributed bragg reflector)光纤激光器和DFB(distributed feedback)光纤激光器；按照光纤结构可以分为光子晶体光纤激光器、单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按照输出激光的时域不同可以分为脉冲光纤激光器和连续谱光纤激光器；按照输出的波长数可以分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器；按照增益介质不同可以分为掺杂稀土类元素光纤激光器、非线性效应光纤激光器、塑料光纤激光器和单晶体光纤激光器；按照工作机制的不同又可以分为上转换光纤激光器和下转换光纤激光器。

根据激光腔的介质材料，双波长单纵模激光器可以分半导体激光器和光纤激光器两种。与半导体激光器比，光纤激光器结构紧凑，且具有散射效果好、转化效率高、调谐范围宽、耦合效率高等优势。光纤激光器的谐振器结构有：环形、线性、复合腔。

根据光纤环的增益机制双波长单纵模激光器可分为3类：1)基于半导体放大器(SOA)的双波长单纵模光纤激光器；2)基于掺铒光纤放大器(EDFA)的双波长单纵模光纤激光器；3)基于受激布里渊散射(SBS)增益的双波长单纵模光纤激光器。

光纤的四波混频效应可使两个单纵模激射波长的频率差保持稳定。四波混频效应(four wave mixing，FWM)是光纤的一种三阶非线性效应[5-6]，即：当有两个相近频率f1、f2的光信号同时输入到光纤中时会产生2f1-f2、2f2-f1的新频率信号。

仿真软件OptiSystem可通过直观的光通信系统的构建，将复杂的理论知识和抽象概念简单化、直观化地输出计算结果。利用该仿真软件，选用单模光纤激光器，两只激光器的中心波长分别为1 549.5 nm、1 550.5 nm，经过50 km光纤传输后，在与光纤相连的光谱仪上清晰可见四列波。四波混频效应仿真原理如图2所示。

图2 四波混频效应仿真

光纤传输前后的两列波、四列波如图3所示。其中纵轴功率是以dBm为单位表示的：

图3 波长间隔2 nm的两束光经过光纤后四波混频效应

(5)

从图3的光谱中清晰可见经过光纤前的两束耦合输入光和经过光纤后有混频效应的四束光。

2 光生微波仿真研究

基于OptiSystem仿真软件设置波长分别为1 549.9 nm和1 550.1 nm的两激光耦合，然后在PIN光电探测器上进行拍频，光电探测器的输出端连接频谱分析仪，清晰可见微波信号被产生出来，仿真结构及产生的微波信号如图4所示。

图4 光生微波仿真

图中频谱分析仪上显示的微波信号频率可根据输入的两列光波进行设计。

与PIN光电探测器相连的频谱仪上得到24.5 GHz的高频毫米波信号。当输入的激光分别为λ1=1 549.9 nm和λ2=1 550.1 nm，两信号耦合后，理论可计算其产生的拍频信号为

式中c为光速。计算结果与仿真得到的24.5 GHz基本吻合，故本光生微波实验系统探索的5G高频毫米波信号的产生方法有效。

3 结束语

本文基于光纤的四波混频效应使得两个单纵模激射波频率差保持稳定，两个波的波长分别为1 549.9 nm和1 550.1 nm，波长间隔0.2 nm，耦合后在高速光电探测器拍频得到24.5 GHz 的微波信号，探索了5G移动通信的24.25～52.0 GHz高频信号的产生方法。

通过将稳定均匀的可调谐双波长激射在高速光电探测器上进行拍频，可以实际得到功率稳定、频率高达24.5 GHz 的微波信号。如果高速光电探测器和电信号频谱分析仪的截止频率足够高，本文介绍的光生微波装置有能力产生更高频率的微波信号。