直调微波光子收发链路研究

孙雷 许向前 李宇 龚广宇 曹倩玉

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

对于宽带射频信号的光传输，通常有外调和直调两种方式。目前商用的外调链路非线性失真小，调制速率高，但实现方式复杂，成本高。直调链路具有结构简单，低成本、低功耗、短距离传输线性度高等优势[1]，也引起了很大关注。采用Bookham Technology的InP 基应力多量子阱（MQW）DFB 直调激光器，阈值电流为6mA，斜率效率为0.14mW/mA，边模抑制比大于45dB，相对强度噪声RIN<‐146dB/Hz，可实现20GHz 模拟光链路无杂散动态范围SFDR 大于103dB•HZ2/3，三阶输入截断点IIP3 大于20dBm[2]。2009年NTT 报导的直调激光器（DML）基于PPR 增强，Ⅲ‐Ⅴ族薄膜SIC 技术构造，驰预振荡频率可达40GHz，固有3dB 带宽可达60GHz[3]。随着直调激光器和探测器性能的提升，直调链路的性价比优势也会更加明显。

1 直调光链路建模

直调光链路中，射频信号直接作为激光器驱动电流，从而使激光器的输出光强度得到调制，调制的光信号再经探测器解调出射频信号，其原理框图如图1所示。

图1：直调链路原理框图

只有当激光器的工作点设定在P‐I 曲线的线性区，才能提高链路的调制效率和线性度。以下模型的建立基于自主研发的激光器和探测器工作原理，激光器和探测器均工作在线性区。

1.1 增益模型

激光器和光电探测器的阻抗匹配情况会影响光链路频响表达式，大多文献中假设LD 和PD 均未做阻抗匹配[3]，其小信号传输等效模型不适用于本文直调链路情况。基于阻抗匹配设计的直调激光器和光电探测器，其原理图和小信号电路模型分别如图2、3所示。

图2

图3：直调链路小信号电路模型

设激光器的匹配电阻Rm 可以使RF 输入信号完全匹配，则激光器的发光功率PL,o：

忽略光纤损耗，则光电探测器的输出电流id：

令探测器的匹配电阻Rdm 与Rload 完全匹配，则探测器的光电流被匹配电阻和负载电阻平分，则负载输出RF功率Po：

因此，直调链路的增益G 可表示如下：

当系统输入和负载阻抗均为50Ω，激光器匹配电阻Rm 与其内阻Rl 之和与输入阻抗匹配为50Ω，增益可简化为：

以上分析未考虑光纤损耗等影响，在阻抗匹配良好的情况下，直调链路增益主要由激光器的斜率效率ηL和探测器的响应度ηd决定。

1.2 噪声系数模型

直调微波光链路的噪声主要包括激光器相对强度（RIN）噪声、探测器散粒噪声以及热噪声。热噪声是与接收光功率无关的变量，散粒噪声和RIN 噪声均与探测器接收光功率成正比，且RIN 噪声相比散粒噪声变化较快。对于直调链路，探测器的接收功率通常在0‐10dBm 左右，在此范围内链路噪声主要受RIN 噪声影响。其噪声系数的计算可参考式（1）：

1.3 无杂散动态范围

直调微波光链路的非线性主要是由于激光器和探测器的非线性造成。激光器输出光功率‐注入光电流（P‐I）典型曲线如图4(a)所示，可以看出需要选择合适的工作点，当输入信号功率比较小时，系统工作在线性区，当信号功率超出线性区，会产生非线性失真。对于PIN 光电探测器，其输入功率与负载电流的典型曲线如图4(b)所示，在实际应用时输入光功率较小，光电探测器工作在线性区，随着注入光功率增大，光电探测器的光电流趋于饱和，其非线性的影响会逐渐增大，尤其是三阶非线性影响较大，从而影响链路的三阶无杂散动态范围。另外直调激光器的线宽和啁啾会加剧光纤的色散，在远距离传输时，会产生更加复杂的失真现象[4]。

图4

2 直调微波光链路搭建

2.1 光源

光源采用自主研发的宽带直调DFB 激光器，单纵模输出，波长1310nm，调制频率可达22GHz。测试激光器阈值电流为7mA，驱动电流为37mA 时，输出光功率为7.6dBm，计算其斜率效率ηL=0.2W/A，测试各频点相对强度噪声RIN<‐140dB/Hz。

2.2 光电探测器

光电探测器采用自主研发高性能PIN 结构InGaAs 光电探测器模块，采用芯片集成技术具有优良的微波射频特性。与直调激光器组成直调链路，测试光电流约5.3mA，其响应度ηd=0.93A/W。

2.3 级联低噪放链路

由于直调光链路的噪声系数相比外调链路要大些，为降低噪声系数，可在链路前端增加低噪放，具体参考级联系统的噪声因子表达式：

由上式可以看出当具有较高增益和相对较低噪声系数子系统（如低噪声放大器）串联构成级联系统，级联系统的噪声系数主要由第一级系统的噪声系数决定。为提高链路性能，在原直调微波光链路的前端级联低噪声放大器，整体链路如图5所示。

图5：增加低噪声放大器的直调光链路

3 测试结果分析

上述直调链路采用矢量网络分析仪实测增益曲线如图6所示，根据模型理论计算增益G=‐20.6dB。可以看出实测值和理论计算值符合度较好，增益模型满足实际链路使用要求。

图6：直调链路增益测试曲线

采用噪声分析仪测试不同频点直调光链路的噪声系数，其实测值与理论值的对比曲线如图7所示，可见噪声系数模型满足链路指标预估要求。

图7：直调光链路噪声系数实测值与理论值对比曲线

采用信号源输入双音信号，通过频谱仪测试直调光链路的无杂散动态范围，在20GHz 频点的三阶无杂散动态SFDR 大于98dB•HZ2/3。

为进一步提升链路性能，可在直调光链路的前端增加低噪放，选用增益为17dB，NF 为2.5dB 的宽带低噪放。测试整个链路20GHz 带内增益可达‐4dB，噪声系数小于32dB。采用简单的链路结构实现了性能较高的链路指标。

4 结论

本文搭建了带宽高达20GHz 的直调微波光链路，建立了阻抗匹配时直调链路小信号模型，并将链路的增益、噪声系数实测值与理论值进行对比，通过前置低噪声放大器提高了链路增益、噪声系数性能指标，最终整体链路增益可达‐4dB，噪声系数小于32dB，三阶无杂散动态范围SFDR 为96.5dB•HZ2/3。若进一步提升链路指标，可以提升直调激光器的斜率效率，降低其RIN 噪声，提升探测器的响应度和线性度。