外調制微波光子鏈路性能研究*

張 強,唐 杰,張 彤,3*

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學蘇州研究院蘇州市金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123;3.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

外調制微波光子鏈路性能研究*

張 強1,2,唐 杰1,2,張 彤1,2,3*

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學蘇州研究院蘇州市金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123;3.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

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

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

近幾十年來,微波技術已被廣泛應用于各種通信業(yè)務,包括微波多路通信、微波中繼通信、移動通信和衛(wèi)星通信[1]。傳統(tǒng)的微波技術是通過電路模塊處理微波信號并通過自由空間或者同軸電纜傳輸微波信號。但傳統(tǒng)的電子技術處理微波信號的速率較低,且同軸電纜長距離傳輸高頻微波信號時損耗較大[2-4]。為了突破傳統(tǒng)微波技術的發(fā)展瓶頸,研究人員將微波學和光子學相結合,提出了一門新型的交叉學科—微波光子學MWP(Microwave Photonics)。微波光子學技術是將微波信號調制到光信號上,然后在光域,利用集成光電子器件對調制信號進行處理,最終解調并輸出所需的微波信號[5]。

微波光子鏈路是微波光子學的研究重點。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、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點[6-8]。微波光子鏈路根據(jù)調制方式的不同,可分為直接調制鏈路和外調制鏈路。直接調制鏈路雖然具有簡單、易實現(xiàn)等優(yōu)點,但對激光器進行強度調制時,激光器的動態(tài)譜線會增寬,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制鏈路極大的減小了激光器動態(tài)譜線增寬對鏈路性能的影響,克服了直接調制鏈路的缺點[10]。本文在建立鏈路小信號模型的基礎上,理論仿真與實驗相結合,分別研究了調制器輸入光功率及直流偏置點對鏈路增益、噪聲系數(shù)和線性動態(tài)范圍的影響,為進一步優(yōu)化外調制鏈路的性能提供了指導原則。

1 外調制微波光子鏈路原理

如圖1所示,為典型的外調制微波光子鏈路,它主要由激光器、微波信號源、M-Z調制器、光纖以及光電探測器組成。

圖1 外調制微波光子鏈路

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

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

圖2 M-Z電光調制器

假設光纖損耗較小可忽略不計,則調制器的輸出光功率可表示為[11]

(1)

(2)

2 外調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)和動態(tài)范圍[12-13]。為了研究微波光子鏈路的性能,建立了外調制鏈路的小信號模型[14],如圖3所示。

圖3 外調制鏈路的小信號模型

圖3中,Pin,a為輸入的可用微波信號功率,Rs為微波信號源等效電阻,Rm為M-Z調制器的等效電阻,ηpd為光電探測器的響應度,Rload為負載等效電阻。

2.1 鏈路的增益

當調制器上加載有微波信號電壓VRF,m(t)=VRF,mcos(ωRFt+θRF)時,根據(jù)系統(tǒng)小信號模型,可得輸入鏈路的可用微波信號功率為[15]

(3)

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

(4)

在線性小信號調制條件下,對式(4)進行泰勒展開,忽略高階項,只考慮一階項得到:

(5)

那么輸出到負載上的微波信號功率為

(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和相對強度噪聲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為激光器的相對強度噪聲系數(shù)。

2.3 鏈路的線性動態(tài)范圍

假設鏈路工作在非線性調制狀態(tài),對式(5)進行泰勒展開,忽略高階項,只考慮一階項和立方項得到:

(10)

(11)

由式(6)和式(11)可得鏈路的1 dB壓縮點為

(12)

設輸入的微波信號噪聲為熱噪聲,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)線性動態(tài)范圍的定義可得鏈路的線性動態(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,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驗驗證

通過對鏈路模型的分析,由式(7)可知,影響鏈路增益的主要因素為輸入調制器的光功率、調制器的直流偏置點、調制器的半波電壓以及光電探測器的響應度。由式(9)和式(14)可知,影響鏈路噪聲系數(shù)及線性動態(tài)范圍的主要因素包括輸入調制器的光功率、調制器的直流偏置點、調制器的半波電壓、光電探測器的響應度以及激光器的相對強度噪聲系數(shù)。然而對于一個給定器件的鏈路來說,調制器的半波電壓、光電探測器的響應度以及激光器的相對強度噪聲系數(shù)都是固定不變的,因此研究可控參數(shù)(輸入調制器的光功率、調制器的直流偏置點)對系統(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)中的理論模型對輸入調制器的光功率和調制器的直流偏置點對鏈路性能的影響進行仿真分析,然后使用矢量網(wǎng)絡分析儀和頻譜分析儀對鏈路的相關性能進行了測試,輸入微波信號頻率為10 GHz,設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給出了調制器輸入光功率及直流偏置點和鏈路增益的關系。由圖4(a)可知,當輸入光功率范圍為-10 dBm～10 dBm時,鏈路的增益和輸入光功率成正比關系,最小增益為-64.1 dB,最大增益為-24.1 dB。由圖4(b)可知,當調制器工作在最大傳輸點和最小傳輸點時,鏈路的增益最小,為-64.1 dB;當調制器工作在最佳線性偏置點時,鏈路的增益最大,為-24.1 dB。實驗數(shù)據(jù)略小于仿真數(shù)據(jù),是因為在仿真的過程中未考慮光纖耦合器以及微波傳輸線的損耗對鏈路增益的影響。

圖4 調制器輸入功率和偏置點對鏈路的增益關系

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

圖5 調制器輸入功率和偏置點對鏈路的線性動態(tài)關系

圖6 調制器輸入功率和偏置點對鏈路的噪聲系數(shù)關系

由式(15)可知,根據(jù)測得的鏈路的1 dB壓縮點和線性動態(tài)范圍,可以間接的測量出鏈路的噪聲系數(shù)。圖6給出了調制器輸入光功率及直流偏置點和鏈路噪聲系數(shù)的關系。由圖6(a)可知,當輸入光功率范圍為-10 dBm～10 dBm時,鏈路的噪聲系數(shù)和輸入光功率成反比關系,最小值為47.7 dB,最大值為87.7 dB。由圖6(b)可知,當調制器工作在最大傳輸點和最小傳輸點時,鏈路的噪聲系數(shù)最大,為87.7 dB;當調制器工作在最佳線性偏置點時,鏈路的噪聲系數(shù)最小,為47.7 dB。實驗數(shù)據(jù)略大于仿真數(shù)據(jù),是因為在仿真的過程中未考慮激光器的線寬及相位噪聲等對鏈路噪聲系數(shù)的影響。

4 結論

本文建立了外調制微波光子鏈路的小信號模型,推導得出了鏈路的增益、噪聲系數(shù)和線性動態(tài)范圍與輸入調制器光功率和調制器直流偏置點的關系,利用MATLAB對其進行仿真,同時搭建了外調制微波光子鏈路,對其性能進行了測試,仿真與實驗結果表明適當增大調制器輸入光功率及使調制器工作最佳線性偏置點均可提高鏈路增益和線性動態(tài)范圍,降低鏈路噪聲系數(shù)。本文的研究結果可以為優(yōu)化外調制微波光子鏈路性能提供理論和實驗依據(jù)。

[1] 車嶸. 射頻-微波收發(fā)系統(tǒng)的研究[D]. 西安:中國科學院西安光學精密機械研究所,2007.

[2] Stephens W E,Joseph T R. System Characteristics of Direct Modulated and Externally Modulated RF Fiber-Optic Links[J]. Journal of Lightwave Technology,1987,5(3):380-387.

[3] Devenport J,Karim A. Optimization of an Externally Modulated RF Photonic Link[J]. Fiber and Integrated Optics,2007,27(1):7-14.

[4] Yu H,Chen M,Guo Q,et al. All-Optical Full-Band RF Receiver Based on an Integrated Ultra-High-Q Bandpass Filter[J]. Journal of Lightwave Technology,2016,34(2):701-706.

[5] Ridgway R W,Dohrman C L,Conway J A. Microwave Photonics Programs at DARPA[J]. Journal of Lightwave Technology,2014,32(20):3428-3439.

[6] Capmany J,Novak D. Microwave Photonics Combines Two Worlds[J]. Nature Photonics,2007,1(6):319-330.

[7] Yao J. Microwave Photonics[J]. Journal of Lightwave Technology,2009,27(3):314-335.

[8] Capmany J,Mora J,Gasulla I,et al. Microwave Photonic Signal Processing[J]. Journal of Lightwave Technology,2013,31(4):571-586.

[9] Iezekiel S. Measurement of Microwave Behavior in Optical Links[J]. Microwave Magazine,IEEE,2008,9(3):100-120.

[10] Betts G E,Johnson L M,Cox Ⅲ C H,et al. High-Performance Optical Analog Link Using External Modulator[J]. Photonics Technology Letters,IEEE,1989,1(11):404-406.

[11] Karim A,Devenport J. High Dynamic Range Microwave Photonic Links for RF Signal Transport and RF-IF Conversion[J]. Journal of Lightwave Technology,2008,26(15):2718-2724.

[12] Hosseini S E,Banai A. Theoretical Investigation of the Capture Effect in Intensity-Modulation Direct-Detection Microwave Photonic Links[J]. Applied Optics,2013,52(28):7011-7021.

[13] 李永倩,程效偉,李旭東. 相干自外差布里淵光纖傳感系統(tǒng)設計及性能分析[J]. 電子器件,2008,31(3):752-755.

[14] Cox C H. Analog Optical Links:Theory and Practice[M]. Cambridge University Press,2006,74-75.

[15] 黃威. 微波光纖延遲線設計及微波光子鏈路研究[D]. 西安:西安電子科技大學,2013.

[16] Hosseini S E,Banai A. Noise Figure of Microwave Photonic Links Operating under Large-Signal Modulation and Its Application to Optoelectronic Oscillators[J]. Applied Optics,2014,53(28):6414-6421.

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

項目來源:教育部博士點基金項目(20110092110016,20130092120024);國家自然科學基金青年基金項目(61307066);江蘇省自然科學基金青年基金項目(BK20130630);教育部微慣性儀表與先進導航技術重點實驗室開放基金項目(201402);江蘇省高校品牌專業(yè)建設工程項目

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