光通信链路模型分析与调制器偏置点修正

杨志高, 陈福深

(电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室,四川成都 610054)

光通信链路模型分析与调制器偏置点修正

杨志高, 陈福深

(电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室,四川成都 610054)

Mach-Zehnder调制器的偏置相位在光通信链路中起到的作用很大,文章在分析 RoF链路模型的基础上,提出了一种平衡光通信链路的增益和噪声系数的光通信链路中调制器偏置点的控制方法。在次倍频程系统中,必须在链路的增益和噪声系数之间折中来提高链路性能。经分析模型可知射频增益开始随着偏置电压的递增而递增,当射频增益达到最大值之后,增益则随着偏置电压的增加而递减,而噪声系数的性能恰恰与它相反。因此,给出了一种优化表达式来综合考虑增益、噪声系数和无杂散动态范围。仿真结果表明最佳偏置点可以根据给出的优化表达式分析计算得到。

调制器;偏置;光通信链路;射频增益

光通信中的 ROF技术能够利用光纤通信宽带宽、低传输损耗等优点 (伍浩成等,2010)被用于各种领域,例如有线电视信号的传输和远端天线信号。远端天线的光纤连接常常采用向马赫 -曾德尔强度调制器,这种调制器本质上存在一定非线性。因此,幅度较小的调制信号和光学调制深度较小的信号可以用这种调制器来调制,这样才能控制此调制器输出信功率号达到最小。Bulmer等(1984)研究了外调制器链路的互调失真和 SFDR,但是没有预测由于调制器的偏置电压的偏离线性点时的优越性能。增益、噪声系数以及 SFDR是许多链路参数的函数其中就包括了调制器的偏置相位 (Ackerman et al.,1993)。总结出了在光功率不高的情况下,最佳偏置为线性工作点,此时的链路增益最大。但是在窄带高光功率链路中,将调制器的偏置点向最低传输功率点移动可以增加系统的SFDR(Farwell et al.,1993;Nichols et al.,1997)。低偏置的调制器可以被运用于下变频系统 (Howerton et al.,1996)中,这样可以减小变频损耗。在这种低偏置链路中,因为低偏置后的调制器插入损耗比较高,光功率的有效利用是显得很重要的。在WDM系统中,为了较少链路的成本,多个信道可以共用一个掺铒光纤放大器 (EDFA)。然而,实际使用的掺铒光纤放大器 (EDFA)的增益与输入光功率有关,这样它就会随着调制器的偏置变化而变化。笔者研究的正是在窄带 ROF链路中掺铒光纤放大器(EDFA)的工作状态和调制器偏置点之间的关系。从理论上分析链路的射频增益、链路的噪声系数以及链路的 SFDR与外调制器的线性偏置工作点的关系,分析得到链路的增益可以通过降低调制器的偏置点来进行优化。

1 ROF链路模型分析

图 1为 RoF光通信链路的示意图,它包含了一个DFB激光器,激光器出来的光经过一个偏振控制器之后光强度受到马赫-曾德尔调制器的调制,然后经 EDFA放大,使用衰减器来控制饱和光功率,这样使增益曲线不受探测器的非线性效应的影响。总的链路在放大后的衰减包括光纤损耗设置为 20 dB。探测到的 RF射频功率可以通过射频频谱仪得到。调制信号的中心频率是 f0=5 GHz,这是 802.11 a/g协议下的 ROF链路的载波频率。

图 1 RoF链路原理图Fig.1 Schematic fo r the RO F link

1.1 增益

链路的光电流可以写成如下所式:

式中 G0,ss是 EDFA的小信号增益,Po,MZM是从MZ调制器输出到 EDFA内的光功率,Po,max是 EDFA的最大输出光功率,γ是一个经验常数,取值为 1,由公式 (2)可以得到 Po,MZM的值:

根据无寄生动态范围的定义可知,当输出信号功率等于噪声功率时所对应的输入信号功率作为最小输入功率,此功率作为无寄生动态范围的功率下限,当输入功率不断增加,输出信号的任意失真分量被噪声功率淹没时,此时对应的输入信号功率作为无寄生动态范围的功率上限。

2 仿真计算分析

GRF(φdc),N FRF(φdc),SFDR2,3(φdc)的解析表达式已经推导出来了。本文采用以下参数来计算:输入输出阻抗分别为 50Ω,探测器的响应度为 0.8,光纤链路损耗αfther假设为20 dB,MZ调制器的插入损耗为 -4.5 dB;输入到调制器内的光强度 Po,in为1.1 dBm;M Z调制器在零偏置时的输出光强度Po,MZM,min为 -18 dBm,调制器的半波电压 Vπ,RF为 3 V,4 V和 6 V;EDFA的小信号增益 G0,ss设为 30 dB;EDFA的最大输出光强度 Po,max为 11.8 dBm;且经验常数γ设置为 1。将参数代入到公式 (6),得到链路的增益曲线。

图 2 链路增益与调制器归一化偏置电压的关系曲线Fig.2 RF ga in a s a function of no rm a lized bia s-vo ltage

根据图 2,发现链路的增益随着偏置电压的开始减小而增大,可以看到通过移动偏置电压从Vbias/Vπ=0.5到一个最佳偏置点使得 RF增益最大,链路的最佳偏置电压与半波电压的比Vbias,Gmax/Vπ为 -0.16～0.16。最佳偏置时的链路增益相对于线性偏置电压时的链路增益增加了 5.8 dB。主要是因为当调节偏置电压使偏置点由线性工作点处向最低传输点移动时,增加了调制深度,减小了放大器的饱和度,增加了放大器的可用增益。如果从偏置在线性工作点的调制器出来的平均光功率足够高以至于可以饱和 EDFA,那么通过将偏置点由线性工作点向最小传输点移动可以实现射频信号增益的最大化。因为 (1)式中表明了偏置点的降低可以减小马赫-曾德尔调制器的调制效率。然而,在此情况下,EDFA可用增益的利用也得到了改进。最佳的偏置不是线性工作点而是一个工作在与 EDFA的参数和输入光功率饱和度有关的偏置点。在小信号模型下,链路增益的最大值与所选调制器的半波电压成反比,但链路增益最大时的归一化偏置点以及相对于线性偏置点的增益增加值分别 0.16和 5.8 dB,它与调制器的半波电压是无关的。

图 3 噪声系数与归一化偏置电压的关系曲线Fig.3 The no ise figure a s a function of no rm a lized bia s-vo ltage

由图 3可知,噪声系数在偏置电压为半波电压的 0.17倍存在一个最小值。而链路增益最大值位于 0.16处,因此合理设置调制器的偏置电压,可以同时实现提高链路的增益和减小链路噪声,提高链路性能。

图 4 无杂散动态范围(SFDR)与归一化偏置电压的关系曲线Fig.4 SFDR a s a function of no rm a lized bia s vo ltage

由图 4可知,无杂散动态范围的取最大值时对应的偏置相位与噪声系数取最小值的时对应的偏执相位很接近。但是链路的增益在此时不为最大,可通过计算得到最佳偏置点,使得链路增益和无杂散动态范围增加而噪声系数相对较小。

3 性能优化

由以上分析可得最佳偏置相位在线性工作点与最小偏置点之间。根据链路增益的计算表达式和噪声系数的计算表达式,可得一种优化值的表达式:

选择这个表达式主要是为了得到高增益GRF和低噪声系数 N FRF所对应的偏置相位,因此,优化值的表达式只是增益和噪声系数的简单相除。通过选择合适的偏置电压值可以使优化值最大化,这样可以得出考虑影响光通信链路性能的增益系数和噪声系数的最佳组合。

图 5 优化值(M)与归一化偏置电压的关系曲线Fig.5 The figure ofMerit as a funct ion of nor m alized bias voltage

优化值相对于偏置相位的仿真曲线如图 5所示,当归一化偏置电压取值为 0.16时,优化值的最大值 -62.5 dB时,此时对应的最大增益为 -45 dB,噪声系数为 56.85 dB。因此可以有效地实现合适的噪声系数和系统增益的最佳组合。

3 结语

文章推导出了在 ROF光通信链路中增益,噪声系数和无杂散动态范围的关于调制器偏置相位的表达式,经分析发现链路最大增益不是在线性工作点而是在远低于工作点处,在小信号模型下,链路的增益最大值与调制器的半波电压成反比,进而推出了优化链路性能的表达式。通过数值仿真给出了链路性能最佳时的相位偏置点。通过实践进一步研究证实在多射频载波以及符合 W i-Fi 802.11/a/g/n,W i-Max等协议的随机调制的射频信号情况下此优化表达式正确性。

伍浩成,罗青松.2010.RoF技术新近发展及应用[J].光通信技术,5:42-45.

Bulmer,Burns.1984.Linear interferometric modulators inTi:LiNbO3[J].J.Lightw.Technol,4:512-521.

Ackerman E,Wanuga S,Kasemset D,et al.1993.Maximum dynamic range operation of a microwave externalmodulation ber-optic link[J].TransMicrowave Theory Tech,41:1299-1306.

Farwell,ChangW S C.1993.Increased linear dynamic range by low-biasing theMach-Zehndermodulator[J].Photon Technology Letters,5:779-782.

Howerton,Moeller,Gopalakrishnan.1996.Low-biased ber-optic-link for microwave down-conversion[J].Photon Technology Letters,vol.8:1692-1694.

Kolner,Bloom.1986.Electro-optic sampling in GaAs integratedcircuits[J].J.Quantum Electron,22:79-93.

Nichols,W illiams.1997.Optimizing the ultra-wide-band photonic link[J].Microw Theory Tech,45:1384-1389.

Analysis for theModulator B iasOpt im ization of Radio Over Fiber L inks

YANG zhi-gao, CHEN Fu-shen
(optical Sensor and Communication KeyLaboratory ofMinistry of Education,University of Electronic Science and Technology of China Chengdu,Chengdu,SC 610054,China)

Optimum bias level forMach-Zehnder modulator is important for the perfor mance of radio over fiber links.A method of controlling the bias point of modulator in optical communication link,for balancing the gain and noise factor of optical communication link,is proposed,which is based on the analysis on RoF link model.In sub-octave systems,there is a trade-off between these parameters.RF gain first nonlinearly increases and then decreaseswith the bias voltage while,the noise figure has an inverse relationship with the bias voltage.Therefore,a figure of merit is proposed in this paper that takes into account gain,noise figure and spurious-free dynamic range.Simulation results show that an optimal bias point can be obtained by using this figure ofmerit.

modulator;bias;RoF link;RF gain

TN929.1

:A

:1674-3504(2010)04-374-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.012

2010-11-22

杨志高 (1986—),男,硕士研究生,研究方向为事集成光学器件及光通信技术。Email:zhigao1986@163.com