外调制微波光子链路性能研究*

张 强,唐 杰,张 彤,3*

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学苏州研究院苏州市金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123;3.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096)

外调制微波光子链路性能研究*

张 强1,2,唐 杰1,2,张 彤1,2,3*

(1.东南大学仪器科学与工程学院,南京 210096;2.东南大学苏州研究院苏州市金属纳米光电技术重点实验室,江苏 苏州 215123;3.东南大学电子科学与工程学院,南京 210096)

针对外调制方式工作的微波光子链路,建立了链路的小信号分析模型,理论仿真了调制器输入光功率及调制器直流偏置点对链路增益、噪声系数和线性动态范围的影响。理论仿真与实验结果表明,适当增大调制器输入光功率以及使调制器工作在最佳线性偏置点,可提高链路增益和线性动态范围,同时降低链路噪声系数。该研究为优化外调制微波光子链路性能提供了有益参考。

光通信;外调制微波光子链路;增益;噪声系数;线性动态范围

近几十年来,微波技术已被广泛应用于各种通信业务,包括微波多路通信、微波中继通信、移动通信和卫星通信[1]。传统的微波技术是通过电路模块处理微波信号并通过自由空间或者同轴电缆传输微波信号。但传统的电子技术处理微波信号的速率较低,且同轴电缆长距离传输高频微波信号时损耗较大[2-4]。为了突破传统微波技术的发展瓶颈,研究人员将微波学和光子学相结合,提出了一门新型的交叉学科—微波光子学MWP(Microwave Photonics)。微波光子学技术是将微波信号调制到光信号上,然后在光域,利用集成光电子器件对调制信号进行处理,最终解调并输出所需的微波信号[5]。

微波光子链路是微波光子学的研究重点。与传统的微波链路相比,微波光子链路具有带宽大、损耗小、色散低、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等优点[6-8]。微波光子链路根据调制方式的不同,可分为直接调制链路和外调制链路。直接调制链路虽然具有简单、易实现等优点,但对激光器进行强度调制时,激光器的动态谱线会增宽,使单模光纤的色散增加,从而限制了光纤的传输容量及传输距离[9]。Charles等人于1989年提出的高性能的外调制链路极大的减小了激光器动态谱线增宽对链路性能的影响,克服了直接调制链路的缺点[10]。本文在建立链路小信号模型的基础上,理论仿真与实验相结合,分别研究了调制器输入光功率及直流偏置点对链路增益、噪声系数和线性动态范围的影响,为进一步优化外调制链路的性能提供了指导原则。

1 外调制微波光子链路原理

如图1所示,为典型的外调制微波光子链路,它主要由激光器、微波信号源、M-Z调制器、光纤以及光电探测器组成。

图1 外调制微波光子链路

在外调制微波光子链路中,微波信号源产生微波信号,经调制器调制到激光器产生的光信号上,然后通过光纤传输到光电探测器解调出所需的微波信号。

调制器是外调制微波光子链路的关键器件之一。图2所示为最常用的M-Z电光调制器,它主要由输入、输出光纤,M-Z结构的波导和输入电信号的电极组成。M-Z结构的波导可以看作是由两个Y分支耦合器组成。输入光信号经过输入光纤传输到第1个Y分支耦合器被分成相等的两部分,分别通过光波导的两个支路,然后在第2个Y分支耦合器干涉形成输出光信号,最后由输出光纤输出。

图2 M-Z电光调制器

假设光纤损耗较小可忽略不计,则调制器的输出光功率可表示为[11]

(1)

(2)

2 外调制微波光子链路模型

微波光子链路的性能参数和传统的微波链路的性能参数相同,主要有增益、噪声系数和动态范围[12-13]。为了研究微波光子链路的性能,建立了外调制链路的小信号模型[14],如图3所示。

图3 外调制链路的小信号模型

图3中,Pin,a为输入的可用微波信号功率,Rs为微波信号源等效电阻,Rm为M-Z调制器的等效电阻,ηpd为光电探测器的响应度,Rload为负载等效电阻。

2.1 链路的增益

当调制器上加载有微波信号电压VRF,m(t)=VRF,mcos(ωRFt+θRF)时,根据系统小信号模型,可得输入链路的可用微波信号功率为[15]

(3)

根据式(2)以及光电探测器的工作原理,可得探测器产生的电流为

(4)

在线性小信号调制条件下,对式(4)进行泰勒展开,忽略高阶项,只考虑一阶项得到:

(5)

那么输出到负载上的微波信号功率为

(6)

由此可得链路的增益为

(7)

2.2 链路的噪声系数

微波光子链路的噪声主要由热噪声Nth、散粒噪声Nshot和相对强度噪声Nrin组成[16],即

N=Nth+Nshot+NNri

(8)

式中:Nth=kTB;Nshot=2q〈Id〉BRload;

根据噪声系数的定义可得链路的噪声系数为

(9)

式中:q为电荷常量,且q=-1.602×10-19C,〈Id〉为光电二极管产生的光电流的平均值,k为玻尔兹曼常数,且k=1.38×10-23J/K,NRI为激光器的相对强度噪声系数。

2.3 链路的线性动态范围

假设链路工作在非线性调制状态,对式(5)进行泰勒展开,忽略高阶项,只考虑一阶项和立方项得到:

(10)

(11)

由式(6)和式(11)可得链路的1 dB压缩点为

(12)

设输入的微波信号噪声为热噪声,取输入噪声带宽为1 MHz,即B=1 MHz,则输入的噪声基底(单位:dBm)为:

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

(13)

根据线性动态范围的定义可得链路的线性动态范围为

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

(14)

式中:P1 dB为链路的1 dB压缩点,可由式(12)求解,FN为链路的噪声系数,可由式(9)求解。

3 链路性能的仿真分析与实验验证

通过对链路模型的分析,由式(7)可知,影响链路增益的主要因素为输入调制器的光功率、调制器的直流偏置点、调制器的半波电压以及光电探测器的响应度。由式(9)和式(14)可知,影响链路噪声系数及线性动态范围的主要因素包括输入调制器的光功率、调制器的直流偏置点、调制器的半波电压、光电探测器的响应度以及激光器的相对强度噪声系数。然而对于一个给定器件的链路来说,调制器的半波电压、光电探测器的响应度以及激光器的相对强度噪声系数都是固定不变的,因此研究可控参数(输入调制器的光功率、调制器的直流偏置点)对系统性能的影响更有意义。

在本节中,我们首先根据上一节中的理论模型对输入调制器的光功率和调制器的直流偏置点对链路性能的影响进行仿真分析,然后使用矢量网络分析仪和频谱分析仪对链路的相关性能进行了测试,输入微波信号频率为10 GHz,设置频谱分析仪带宽为1 MHz。链路的参数值选取如下:

表1 链路参数

图4给出了调制器输入光功率及直流偏置点和链路增益的关系。由图4(a)可知,当输入光功率范围为-10 dBm～10 dBm时,链路的增益和输入光功率成正比关系,最小增益为-64.1 dB,最大增益为-24.1 dB。由图4(b)可知,当调制器工作在最大传输点和最小传输点时,链路的增益最小,为-64.1 dB;当调制器工作在最佳线性偏置点时,链路的增益最大,为-24.1 dB。实验数据略小于仿真数据,是因为在仿真的过程中未考虑光纤耦合器以及微波传输线的损耗对链路增益的影响。

图4 调制器输入功率和偏置点对链路的增益关系

图5给出了调制器输入光功率及直流偏置点和链路线性动态范围的关系。由图5(a)可知,当输入光功率范围为-10 dBm～10 dBm时,链路的线性动态范围和输入光功率成正比关系,最小值为13.3 dB,最大值为53.3 dB。由图5(b)可知,当调制器工作在最大传输点和最小传输点时,链路的线性动态范围最小,为13.3 dB;当调制器工作在最佳线性偏置点时,链路的线性动态范围最大,为53.3 dB。

图5 调制器输入功率和偏置点对链路的线性动态关系

图6 调制器输入功率和偏置点对链路的噪声系数关系

由式(15)可知,根据测得的链路的1 dB压缩点和线性动态范围,可以间接的测量出链路的噪声系数。图6给出了调制器输入光功率及直流偏置点和链路噪声系数的关系。由图6(a)可知,当输入光功率范围为-10 dBm～10 dBm时,链路的噪声系数和输入光功率成反比关系,最小值为47.7 dB,最大值为87.7 dB。由图6(b)可知,当调制器工作在最大传输点和最小传输点时,链路的噪声系数最大,为87.7 dB;当调制器工作在最佳线性偏置点时,链路的噪声系数最小,为47.7 dB。实验数据略大于仿真数据,是因为在仿真的过程中未考虑激光器的线宽及相位噪声等对链路噪声系数的影响。

4 结论

本文建立了外调制微波光子链路的小信号模型,推导得出了链路的增益、噪声系数和线性动态范围与输入调制器光功率和调制器直流偏置点的关系,利用MATLAB对其进行仿真,同时搭建了外调制微波光子链路,对其性能进行了测试,仿真与实验结果表明适当增大调制器输入光功率及使调制器工作最佳线性偏置点均可提高链路增益和线性动态范围,降低链路噪声系数。本文的研究结果可以为优化外调制微波光子链路性能提供理论和实验依据。

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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

项目来源:教育部博士点基金项目(20110092110016,20130092120024);国家自然科学基金青年基金项目(61307066);江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20130630);教育部微惯性仪表与先进导航技术重点实验室开放基金项目(201402);江苏省高校品牌专业建设工程项目

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