基于光注入半导体激光器的高能效RoF技术研究

As a large contributor to CO2 emissions, wireless access network is crucial to energy-efficient Internet. It indicates that the development of the RoF (Radio-over-Fiber) technology, as a kind of brilliant wireless access network, inevitably experiences the torture of high energy-efficiency. Therefore, it has both scientific and practical significance to investigate energy-efficient RoF technology. This proposal aims at the research of energy-efficient radio-over-fiber links based on the nonlinear dynamics of optically injected semiconductor lasers. Key technologies are studied from several aspects as follows: (1) optical microwave generation based on period-one oscillation state of the optically injected semiconductor laser; (2) downlink multi-service signals modulation based on optical injection, and uplink signal modulation based on wavelength reuse; (3) modulation format conversion with high efficiency based on the period-one oscillation state. Featuring the concept of greening every unit in terms of signal coding, modulation, transmission, and demodulation, this proposal will explore theoretical and experimental analysis on energy-efficient RoF technology based on the period-one oscillation state of the optically injected semiconductor laser. The achievement of this proposal will promote and enrich the application and development of the optically injected semiconductor laser in energy-efficient RoF technology.

作为通信系统中CO2排放大户，无线接入网是实现高能效网络的关键，这意味着RoF（Radio-over-Fiber）技术作为一种具有优越性能的无线接入网方式，其发展也必然要经得起高能效的检验，因此，研究高能效RoF技术具有重要的科学意义和实用价值。本课题旨在研究基于光注入半导体激光器丰富的非线性动力学行为实现高能效RoF技术中的关键技术，具体包括：（1）基于光注入半导体激光器单周期振荡态的光生微波技术；（2）基于光注入技术的下行多业务信号的调制和基于波长再利用技术的上行信号调制技术；（3）利用单周期振荡态实现高效率调制格式转换技术。该项目旨在基于分层绿色的设计理念，将宽带绿色化贯穿到信号编码、调制、传输、解调等各级信号处理层面，开展基于光注入半导体激光器单周期振荡态的高能效RoF技术理论分析和实验方面的研究，研究成果将促进和丰富光注入半导体激光器在高能效RoF技术领域的应用和发展。

光载无线技术作为一种融合了光通信和无线通信优势的无线接入网方式，在网络绿色化发展的倡导下，高能效是其发展的必然趋势。针对实现高能效RoF技术面临的光生微波和调制方式转换等关键问题，本项目开展了基于光注入半导体激光器丰富的非线性动力学行为实现高能效RoF技术的研究工作，重点对基于单周期振荡态的光生微波技术和调制方式转换技术进行了基础研究。建立了描述外界干扰下半导体激光器动力学行为的速率方程模型，并基于该模型对光注入半导体激光器丰富的非线性行为特性在时域、光域和频域进行了研究。研究结果表明，改变主激光器的输出波长和输出功率、从激光器的偏置电流，半导体激光器将按不同的路径遍历周期振荡态、混沌态、锁定态等不同的非线性态：在正失谐情况下，从激光器在较大的失谐频率范围内可以保持单周期振荡输出状态；而在负失谐时，从激光器则容易处于多周期振荡或混沌等复杂的非线性输出状态，或者是被主激光器注入锁定。研究了基于光注入半导体激光器单周期振荡的光生微波技术，并进行了光生微波的线宽窄化研究，理论和实验结果表明：光生微波在较大范围内频率连续可调；光生微波的频率随注入强度系数的增大而线性增大，微波的输出功率则保持相对稳定；微波频率随失谐频率的增大而增大，在频率正失谐的情况下，微波输出功率随失谐频率变化保持相对稳定；增加从激光器的偏置电流可以增大光生微波的频率和功率；通过引入光反馈技术，可有效地窄化光生微波信号的线宽。研究了基于光注入半导体激光器单周期振荡实现调制方式的转换技术，理论和初步的实验结果表明：利用单周期振荡近单边带调制谱的特点，可将主激光器上的强度调制信息转移到单周期振荡态上形成频率调制，同时实现了全光调制方式转换和光生微波。项目的研究结果对光注入半导体激光器技术应用于高能效光载无线技术领域具有重要的参考价值，并将促进和丰富光注入技术在微波光子信号产生及处理领域的应用和发展。