外調(diào)制微波光子鏈路性能研究*

張 強(qiáng),唐 杰,張 彤,3*

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州市金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123;3.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

外調(diào)制微波光子鏈路性能研究*

張 強(qiáng)1,2,唐 杰1,2,張 彤1,2,3*

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州市金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123;3.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

針對(duì)外調(diào)制方式工作的微波光子鏈路,建立了鏈路的小信號(hào)分析模型,理論仿真了調(diào)制器輸入光功率及調(diào)制器直流偏置點(diǎn)對(duì)鏈路增益、噪聲系數(shù)和線性動(dòng)態(tài)范圍的影響。理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)增大調(diào)制器輸入光功率以及使調(diào)制器工作在最佳線性偏置點(diǎn),可提高鏈路增益和線性動(dòng)態(tài)范圍,同時(shí)降低鏈路噪聲系數(shù)。該研究為優(yōu)化外調(diào)制微波光子鏈路性能提供了有益參考。

光通信;外調(diào)制微波光子鏈路;增益;噪聲系數(shù);線性動(dòng)態(tài)范圍

近幾十年來,微波技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種通信業(yè)務(wù),包括微波多路通信、微波中繼通信、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信[1]。傳統(tǒng)的微波技術(shù)是通過電路模塊處理微波信號(hào)并通過自由空間或者同軸電纜傳輸微波信號(hào)。但傳統(tǒng)的電子技術(shù)處理微波信號(hào)的速率較低,且同軸電纜長(zhǎng)距離傳輸高頻微波信號(hào)時(shí)損耗較大[2-4]。為了突破傳統(tǒng)微波技術(shù)的發(fā)展瓶頸,研究人員將微波學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合,提出了一門新型的交叉學(xué)科—微波光子學(xué)MWP(Microwave Photonics)。微波光子學(xué)技術(shù)是將微波信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上,然后在光域,利用集成光電子器件對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行處理,最終解調(diào)并輸出所需的微波信號(hào)[5]。

微波光子鏈路是微波光子學(xué)的研究重點(diǎn)。與傳統(tǒng)的微波鏈路相比,微波光子鏈路具有帶寬大、損耗小、色散低、體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。微波光子鏈路根據(jù)調(diào)制方式的不同,可分為直接調(diào)制鏈路和外調(diào)制鏈路。直接調(diào)制鏈路雖然具有簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)激光器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制時(shí),激光器的動(dòng)態(tài)譜線會(huì)增寬,使單模光纖的色散增加,從而限制了光纖的傳輸容量及傳輸距離[9]。Charles等人于1989年提出的高性能的外調(diào)制鏈路極大的減小了激光器動(dòng)態(tài)譜線增寬對(duì)鏈路性能的影響,克服了直接調(diào)制鏈路的缺點(diǎn)[10]。本文在建立鏈路小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上,理論仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,分別研究了調(diào)制器輸入光功率及直流偏置點(diǎn)對(duì)鏈路增益、噪聲系數(shù)和線性動(dòng)態(tài)范圍的影響,為進(jìn)一步優(yōu)化外調(diào)制鏈路的性能提供了指導(dǎo)原則。

1 外調(diào)制微波光子鏈路原理

如圖1所示,為典型的外調(diào)制微波光子鏈路,它主要由激光器、微波信號(hào)源、M-Z調(diào)制器、光纖以及光電探測(cè)器組成。

圖1 外調(diào)制微波光子鏈路

在外調(diào)制微波光子鏈路中,微波信號(hào)源產(chǎn)生微波信號(hào),經(jīng)調(diào)制器調(diào)制到激光器產(chǎn)生的光信號(hào)上,然后通過光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器解調(diào)出所需的微波信號(hào)。

調(diào)制器是外調(diào)制微波光子鏈路的關(guān)鍵器件之一。圖2所示為最常用的M-Z電光調(diào)制器,它主要由輸入、輸出光纖,M-Z結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)和輸入電信號(hào)的電極組成。M-Z結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)可以看作是由兩個(gè)Y分支耦合器組成。輸入光信號(hào)經(jīng)過輸入光纖傳輸?shù)降?個(gè)Y分支耦合器被分成相等的兩部分,分別通過光波導(dǎo)的兩個(gè)支路,然后在第2個(gè)Y分支耦合器干涉形成輸出光信號(hào),最后由輸出光纖輸出。

圖2 M-Z電光調(diào)制器

假設(shè)光纖損耗較小可忽略不計(jì),則調(diào)制器的輸出光功率可表示為[11]

(1)

(2)

2 外調(diào)制微波光子鏈路模型

微波光子鏈路的性能參數(shù)和傳統(tǒng)的微波鏈路的性能參數(shù)相同,主要有增益、噪聲系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍[12-13]。為了研究微波光子鏈路的性能,建立了外調(diào)制鏈路的小信號(hào)模型[14],如圖3所示。

圖3 外調(diào)制鏈路的小信號(hào)模型

圖3中,Pin,a為輸入的可用微波信號(hào)功率,Rs為微波信號(hào)源等效電阻,Rm為M-Z調(diào)制器的等效電阻,ηpd為光電探測(cè)器的響應(yīng)度,Rload為負(fù)載等效電阻。

2.1 鏈路的增益

當(dāng)調(diào)制器上加載有微波信號(hào)電壓VRF,m(t)=VRF,mcos(ωRFt+θRF)時(shí),根據(jù)系統(tǒng)小信號(hào)模型,可得輸入鏈路的可用微波信號(hào)功率為[15]

(3)

根據(jù)式(2)以及光電探測(cè)器的工作原理,可得探測(cè)器產(chǎn)生的電流為

(4)

在線性小信號(hào)調(diào)制條件下,對(duì)式(4)進(jìn)行泰勒展開,忽略高階項(xiàng),只考慮一階項(xiàng)得到:

(5)

那么輸出到負(fù)載上的微波信號(hào)功率為

(6)

由此可得鏈路的增益為

(7)

2.2 鏈路的噪聲系數(shù)

微波光子鏈路的噪聲主要由熱噪聲Nth、散粒噪聲Nshot和相對(duì)強(qiáng)度噪聲Nrin組成[16],即

N=Nth+Nshot+NNri

(8)

式中:Nth=kTB;Nshot=2q〈Id〉BRload;

根據(jù)噪聲系數(shù)的定義可得鏈路的噪聲系數(shù)為

(9)

式中:q為電荷常量,且q=-1.602×10-19C,〈Id〉為光電二極管產(chǎn)生的光電流的平均值,k為玻爾茲曼常數(shù),且k=1.38×10-23J/K,NRI為激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲系數(shù)。

2.3 鏈路的線性動(dòng)態(tài)范圍

假設(shè)鏈路工作在非線性調(diào)制狀態(tài),對(duì)式(5)進(jìn)行泰勒展開,忽略高階項(xiàng),只考慮一階項(xiàng)和立方項(xiàng)得到:

(10)

(11)

由式(6)和式(11)可得鏈路的1 dB壓縮點(diǎn)為

(12)

設(shè)輸入的微波信號(hào)噪聲為熱噪聲,取輸入噪聲帶寬為1 MHz,即B=1 MHz,則輸入的噪聲基底(單位:dBm)為:

No=FN+10lgB-174=FN-104

(13)

根據(jù)線性動(dòng)態(tài)范圍的定義可得鏈路的線性動(dòng)態(tài)范圍為

DRl=P1 dB-No=P1 dB-FN+104

(14)

式中:P1 dB為鏈路的1 dB壓縮點(diǎn),可由式(12)求解,FN為鏈路的噪聲系數(shù),可由式(9)求解。

3 鏈路性能的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)鏈路模型的分析,由式(7)可知,影響鏈路增益的主要因素為輸入調(diào)制器的光功率、調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)、調(diào)制器的半波電壓以及光電探測(cè)器的響應(yīng)度。由式(9)和式(14)可知,影響鏈路噪聲系數(shù)及線性動(dòng)態(tài)范圍的主要因素包括輸入調(diào)制器的光功率、調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)、調(diào)制器的半波電壓、光電探測(cè)器的響應(yīng)度以及激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲系數(shù)。然而對(duì)于一個(gè)給定器件的鏈路來說,調(diào)制器的半波電壓、光電探測(cè)器的響應(yīng)度以及激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲系數(shù)都是固定不變的,因此研究可控參數(shù)(輸入調(diào)制器的光功率、調(diào)制器的直流偏置點(diǎn))對(duì)系統(tǒng)性能的影響更有意義。

在本節(jié)中,我們首先根據(jù)上一節(jié)中的理論模型對(duì)輸入調(diào)制器的光功率和調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)對(duì)鏈路性能的影響進(jìn)行仿真分析,然后使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀對(duì)鏈路的相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試,輸入微波信號(hào)頻率為10 GHz,設(shè)置頻譜分析儀帶寬為1 MHz。鏈路的參數(shù)值選取如下:

表1 鏈路參數(shù)

圖4給出了調(diào)制器輸入光功率及直流偏置點(diǎn)和鏈路增益的關(guān)系。由圖4(a)可知,當(dāng)輸入光功率范圍為-10 dBm～10 dBm時(shí),鏈路的增益和輸入光功率成正比關(guān)系,最小增益為-64.1 dB,最大增益為-24.1 dB。由圖4(b)可知,當(dāng)調(diào)制器工作在最大傳輸點(diǎn)和最小傳輸點(diǎn)時(shí),鏈路的增益最小,為-64.1 dB;當(dāng)調(diào)制器工作在最佳線性偏置點(diǎn)時(shí),鏈路的增益最大,為-24.1 dB。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略小于仿真數(shù)據(jù),是因?yàn)樵诜抡娴倪^程中未考慮光纖耦合器以及微波傳輸線的損耗對(duì)鏈路增益的影響。

圖4 調(diào)制器輸入功率和偏置點(diǎn)對(duì)鏈路的增益關(guān)系

圖5給出了調(diào)制器輸入光功率及直流偏置點(diǎn)和鏈路線性動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)系。由圖5(a)可知,當(dāng)輸入光功率范圍為-10 dBm～10 dBm時(shí),鏈路的線性動(dòng)態(tài)范圍和輸入光功率成正比關(guān)系,最小值為13.3 dB,最大值為53.3 dB。由圖5(b)可知,當(dāng)調(diào)制器工作在最大傳輸點(diǎn)和最小傳輸點(diǎn)時(shí),鏈路的線性動(dòng)態(tài)范圍最小,為13.3 dB;當(dāng)調(diào)制器工作在最佳線性偏置點(diǎn)時(shí),鏈路的線性動(dòng)態(tài)范圍最大,為53.3 dB。

圖5 調(diào)制器輸入功率和偏置點(diǎn)對(duì)鏈路的線性動(dòng)態(tài)關(guān)系

圖6 調(diào)制器輸入功率和偏置點(diǎn)對(duì)鏈路的噪聲系數(shù)關(guān)系

由式(15)可知,根據(jù)測(cè)得的鏈路的1 dB壓縮點(diǎn)和線性動(dòng)態(tài)范圍,可以間接的測(cè)量出鏈路的噪聲系數(shù)。圖6給出了調(diào)制器輸入光功率及直流偏置點(diǎn)和鏈路噪聲系數(shù)的關(guān)系。由圖6(a)可知,當(dāng)輸入光功率范圍為-10 dBm～10 dBm時(shí),鏈路的噪聲系數(shù)和輸入光功率成反比關(guān)系,最小值為47.7 dB,最大值為87.7 dB。由圖6(b)可知,當(dāng)調(diào)制器工作在最大傳輸點(diǎn)和最小傳輸點(diǎn)時(shí),鏈路的噪聲系數(shù)最大,為87.7 dB;當(dāng)調(diào)制器工作在最佳線性偏置點(diǎn)時(shí),鏈路的噪聲系數(shù)最小,為47.7 dB。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略大于仿真數(shù)據(jù),是因?yàn)樵诜抡娴倪^程中未考慮激光器的線寬及相位噪聲等對(duì)鏈路噪聲系數(shù)的影響。

4 結(jié)論

本文建立了外調(diào)制微波光子鏈路的小信號(hào)模型,推導(dǎo)得出了鏈路的增益、噪聲系數(shù)和線性動(dòng)態(tài)范圍與輸入調(diào)制器光功率和調(diào)制器直流偏置點(diǎn)的關(guān)系,利用MATLAB對(duì)其進(jìn)行仿真,同時(shí)搭建了外調(diào)制微波光子鏈路,對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)增大調(diào)制器輸入光功率及使調(diào)制器工作最佳線性偏置點(diǎn)均可提高鏈路增益和線性動(dòng)態(tài)范圍,降低鏈路噪聲系數(shù)。本文的研究結(jié)果可以為優(yōu)化外調(diào)制微波光子鏈路性能提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Performance Study of External Modulation Microwave Photonics Link*

ZHANGQiang1,2,TANGJie1,2,ZHANGTong1,2,3*

(1.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.Suzhou Key Laboratory of Metal Nano-Optoelectronic Technology,Suzhou Research Institute of Southeast University,Suzhou Jiangsu 215123,China;3.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The operating principle of external modulation microwave photonics link was introduced. Small-signal link model was built.The influence of input optical power of the modulator and bias point of the modulator on the gain,noise figure and linear dynamic range is simulated and compared with the experiments. The results show that increasing input optical power of the modulator and controlling the modulator working at quadrature points can improve the gainand linear dynamic range,at the same time,reduce the noise figure of the link. The research gives good foundation for the optimization of the performance of external modulation microwave photonics link.

optical communications;external modulation microwave photonics link;gain;noise figure;linear dynamic range

項(xiàng)目來源:教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20110092110016,20130092120024);國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61307066);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20130630);教育部微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(201402);江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目

2015-05-18 修改日期:2016-05-27

C:1350;4130

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.004

TN929.11

A

1005-9490(2017)02-0280-05