基于高轉換效率電光調制器的高增益ROF通信鏈路設計

姚勝興+李祖林

【摘要】 光載射頻信號通信鏈路基于光纖的低損耗、大帶寬以及抗電磁干擾等有點而得到廣泛關注。通過優化電光調制器半波電壓與偏置電壓來提高光載射頻信號通信鏈路的增益，并提出了采用降低半波電壓的有效方式。

【關鍵詞】 光載射頻信號 電磁干擾 半波電壓

光載射頻信號（Radio Over Fiber， ROF）通信鏈路本身具有以下優點：體積小、抗電磁干擾能力強、損耗小、低色散以及帶寬大等，因而廣泛地被用于民用和軍用領域，比如軍用的雷達以及電子戰領域等，民用的有線電視和無線電信領域等。其基本原理在于：輸入端微波信號對光強度進行調制，已調光信號通過光纖傳送到接收端，然后通過光電探測器進行平方律檢波還原該微波信號[1-4]。

雖然ROF鏈路基于光纖的低損耗特性，但其電光與光電轉化會產生一定的“轉換損耗”，因此，優化好轉換器件，特別是電光調制器的電光轉換效率，是提高鏈路增益的有效方式。本文通過優化電光調制器半波電壓與偏置電壓來提高光載射頻信號通信鏈路的增益，并提出了采用降低半波電壓的有效方式。

一、理論建模

強度調制-直接解調型微波光鏈路通常是由一個激光器、一個電光調制器、光纖與一個光電探測器等器件組成，如圖1所示。

輸入的射頻電信號通過調制器后轉變成光信號，光信號在經過光纖傳輸后到達接收單元，接著光信號又通過探測器還原成電信號，其增益表達是為[5]

其中ZL與Zin分別為系統的輸出阻抗和輸入阻抗（50Ω匹配），ρ為探測器的響應度，α為調制器的損耗系數，Vπ為MZM調制器的半波電壓，PO為調制器的輸入光功率，bφ為調制器的直流偏置相移。

二、仿真與討論

設調制器的損耗系數α為0.8，探測器響應度ρ為0.8A/W，系統輸入阻抗Zin和輸出阻抗ZL均為50Ω，電光調制器的直流偏置相移bφ的取值范圍為0～π，半波電壓Vπ的取值范圍通常為2～8V，下文將分析調制器的半波電壓與偏置相移對鏈路增益的影響。

具體仿真結果如圖2所示，半波電壓越低對應的鏈路增益越大；對于同一半波電壓，隨著偏置相移從0～π變化，鏈路的增益呈現先增加后降低的趨勢，在正交工作點（π/2）取得最大值。為更好地呈現仿真效果，如圖3的二維圖所示。

3 改進方案

由上文所述，調制器的半波電壓的大小是限制鏈路增益的主要因素。對于電光調制器，半波電壓Vπ是其核心性能參數，也是設計和構建調制系統的重要依據。半波電壓Vπ的值越小，電光調制器和微波光子鏈路的性能越優化。如何在器件層面上有效降低半波電壓并優化鏈路性能是研究的重點，最直接的方式可以通過改變晶體折射率neff、改變重疊因子Γ、 改變電極長度L來對半波電壓進行調整。

四、 總結

本文通過優化電光調制器半波電壓與偏置電壓來提高光載射頻信號通信鏈路的增益，并提出了采用降低半波電壓的有效方式，能在工程實踐中得到廣泛應用。

參 考 文 獻

[1]LEVY E， HOROWITZ M， OKUSAGA O， et al. Study of dual-loop optoelectronic oscillators[C]. Frequency Control Symposium， 2009， 505-507.

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[3]RUBIOLA E， SALIK E， HUANG S H， et al. Photonic-delay technique for phase-noise measurement of microwave oscillators[J]. J. Opt. Soc. Am. B， 2005， 22（5）： 987-996.

[4] ZHOU W M， BLASCHE G. Injection-locked dual opto-electronic oscillator with ultra-low phase noise and ultra-low spurious level[J]， IEEE Trans. Microw. Theory. Tech. 2005， 53（3）： 79-84.

[5] HONG J， YAO S X， LI Z L， et al. Fiber-length dependence phase noise of injection-locked optoelectronic oscillator[J]. Microwave and Optical Technology Letters. 2013，55（11）：2568-2571.