直調微波光子收發鏈路研究

孫雷 許向前 李宇 龔廣宇 曹倩玉

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

對于寬帶射頻信號的光傳輸，通常有外調和直調兩種方式。目前商用的外調鏈路非線性失真小，調制速率高，但實現方式復雜，成本高。直調鏈路具有結構簡單，低成本、低功耗、短距離傳輸線性度高等優勢[1]，也引起了很大關注。采用Bookham Technology的InP 基應力多量子阱（MQW）DFB 直調激光器，閾值電流為6mA，斜率效率為0.14mW/mA，邊模抑制比大于45dB，相對強度噪聲RIN<‐146dB/Hz，可實現20GHz 模擬光鏈路無雜散動態范圍SFDR 大于103dB?HZ2/3，三階輸入截斷點IIP3 大于20dBm[2]。2009年NTT 報導的直調激光器（DML）基于PPR 增強，Ⅲ‐Ⅴ族薄膜SIC 技術構造，馳預振蕩頻率可達40GHz，固有3dB 帶寬可達60GHz[3]。隨著直調激光器和探測器性能的提升，直調鏈路的性價比優勢也會更加明顯。

1 直調光鏈路建模

直調光鏈路中，射頻信號直接作為激光器驅動電流，從而使激光器的輸出光強度得到調制，調制的光信號再經探測器解調出射頻信號，其原理框圖如圖1所示。

圖1：直調鏈路原理框圖

只有當激光器的工作點設定在P‐I 曲線的線性區，才能提高鏈路的調制效率和線性度。以下模型的建立基于自主研發的激光器和探測器工作原理，激光器和探測器均工作在線性區。

1.1 增益模型

激光器和光電探測器的阻抗匹配情況會影響光鏈路頻響表達式，大多文獻中假設LD 和PD 均未做阻抗匹配[3]，其小信號傳輸等效模型不適用于本文直調鏈路情況。基于阻抗匹配設計的直調激光器和光電探測器，其原理圖和小信號電路模型分別如圖2、3所示。

圖2

圖3：直調鏈路小信號電路模型

設激光器的匹配電阻Rm 可以使RF 輸入信號完全匹配，則激光器的發光功率PL,o：

忽略光纖損耗，則光電探測器的輸出電流id：

令探測器的匹配電阻Rdm 與Rload 完全匹配，則探測器的光電流被匹配電阻和負載電阻平分，則負載輸出RF功率Po：

因此，直調鏈路的增益G 可表示如下：

當系統輸入和負載阻抗均為50Ω，激光器匹配電阻Rm 與其內阻Rl 之和與輸入阻抗匹配為50Ω，增益可簡化為：

以上分析未考慮光纖損耗等影響，在阻抗匹配良好的情況下，直調鏈路增益主要由激光器的斜率效率ηL和探測器的響應度ηd決定。

1.2 噪聲系數模型

直調微波光鏈路的噪聲主要包括激光器相對強度（RIN）噪聲、探測器散粒噪聲以及熱噪聲。熱噪聲是與接收光功率無關的變量，散粒噪聲和RIN 噪聲均與探測器接收光功率成正比，且RIN 噪聲相比散粒噪聲變化較快。對于直調鏈路，探測器的接收功率通常在0‐10dBm 左右，在此范圍內鏈路噪聲主要受RIN 噪聲影響。其噪聲系數的計算可參考式（1）：

1.3 無雜散動態范圍

直調微波光鏈路的非線性主要是由于激光器和探測器的非線性造成。激光器輸出光功率‐注入光電流（P‐I）典型曲線如圖4(a)所示，可以看出需要選擇合適的工作點，當輸入信號功率比較小時，系統工作在線性區，當信號功率超出線性區，會產生非線性失真。對于PIN 光電探測器，其輸入功率與負載電流的典型曲線如圖4(b)所示，在實際應用時輸入光功率較小，光電探測器工作在線性區，隨著注入光功率增大，光電探測器的光電流趨于飽和，其非線性的影響會逐漸增大，尤其是三階非線性影響較大，從而影響鏈路的三階無雜散動態范圍。另外直調激光器的線寬和啁啾會加劇光纖的色散，在遠距離傳輸時，會產生更加復雜的失真現象[4]。

圖4

2 直調微波光鏈路搭建

2.1 光源

光源采用自主研發的寬帶直調DFB 激光器，單縱模輸出，波長1310nm，調制頻率可達22GHz。測試激光器閾值電流為7mA，驅動電流為37mA 時，輸出光功率為7.6dBm，計算其斜率效率ηL=0.2W/A，測試各頻點相對強度噪聲RIN<‐140dB/Hz。

2.2 光電探測器

光電探測器采用自主研發高性能PIN 結構InGaAs 光電探測器模塊，采用芯片集成技術具有優良的微波射頻特性。與直調激光器組成直調鏈路，測試光電流約5.3mA，其響應度ηd=0.93A/W。

2.3 級聯低噪放鏈路

由于直調光鏈路的噪聲系數相比外調鏈路要大些，為降低噪聲系數，可在鏈路前端增加低噪放，具體參考級聯系統的噪聲因子表達式：

由上式可以看出當具有較高增益和相對較低噪聲系數子系統（如低噪聲放大器）串聯構成級聯系統，級聯系統的噪聲系數主要由第一級系統的噪聲系數決定。為提高鏈路性能，在原直調微波光鏈路的前端級聯低噪聲放大器，整體鏈路如圖5所示。

圖5：增加低噪聲放大器的直調光鏈路

3 測試結果分析

上述直調鏈路采用矢量網絡分析儀實測增益曲線如圖6所示，根據模型理論計算增益G=‐20.6dB。可以看出實測值和理論計算值符合度較好，增益模型滿足實際鏈路使用要求。

圖6：直調鏈路增益測試曲線

采用噪聲分析儀測試不同頻點直調光鏈路的噪聲系數，其實測值與理論值的對比曲線如圖7所示，可見噪聲系數模型滿足鏈路指標預估要求。

圖7：直調光鏈路噪聲系數實測值與理論值對比曲線

采用信號源輸入雙音信號，通過頻譜儀測試直調光鏈路的無雜散動態范圍，在20GHz 頻點的三階無雜散動態SFDR 大于98dB?HZ2/3。

為進一步提升鏈路性能，可在直調光鏈路的前端增加低噪放，選用增益為17dB，NF 為2.5dB 的寬帶低噪放。測試整個鏈路20GHz 帶內增益可達‐4dB，噪聲系數小于32dB。采用簡單的鏈路結構實現了性能較高的鏈路指標。

4 結論

本文搭建了帶寬高達20GHz 的直調微波光鏈路，建立了阻抗匹配時直調鏈路小信號模型，并將鏈路的增益、噪聲系數實測值與理論值進行對比，通過前置低噪聲放大器提高了鏈路增益、噪聲系數性能指標，最終整體鏈路增益可達‐4dB，噪聲系數小于32dB，三階無雜散動態范圍SFDR 為96.5dB?HZ2/3。若進一步提升鏈路指標，可以提升直調激光器的斜率效率，降低其RIN 噪聲，提升探測器的響應度和線性度。