外調微波光子收發鏈路研究

孫雷 許向前 張恒晨 李宇 邢星

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

近年來，微波光子學的快速發展和進步，使得微波光子鏈路受到廣泛的關注和研究。微波光子鏈路是具有接收、傳輸、發射微波信號等功能的光電鏈路，具有寬帶、低損耗、輕質、小尺寸、抗電磁干擾等關鍵優勢，被廣泛應用到雷達、衛星通信、機載傳輸等領域。可以實現包括寬帶信號傳輸、本振分發、真時延、合波與分束等光域操縱，是光控相控陣雷達、分布式雷達的核心器件。在雷達系統和天線移動網絡中，對微波光鏈路提出低噪聲、高動態范圍的需求。憑借技術以及器件水平的遙遙領先，國外諸多實驗室和公司已經做出增益很高、噪聲系數很低、動態范圍很大的高性能微波光子鏈路[1]-[2]。

相比直調激光器，采用大功率、低RIN噪聲的外調光源能夠獲得更高的調制效率和信噪比。尤其是光源功率較高時，外調鏈路的性能優勢更明顯。本文通過搭建外強度調制直接探測微波光鏈路，對其關鍵參數增益、噪聲系數、動態范圍進行測試，與理論值進行對比分析，設計了外調微波光鏈路指標預估可視化軟件，提高微波光鏈路設計效率。

1 微波光鏈路性能評價參數

外強度調制—直接探測光鏈路由三個核心器件組成，分別是光源（LD）、馬赫-曾德爾強度調制器（MZM）和光探測器（PD）。RF輸入信號經MZM調制到光載波上，經光纖傳輸后輸入到PD進行解調輸出，其原理框圖如圖1所示。

評價微波光鏈路的性能參數主要有鏈路增益、噪聲系數和動態范圍。在一些文獻中多采用外調鏈路的小信號模型進行分析[3]，本文根據選用器件的原理圖，建立小信號模型如圖2所示。

1.1 增益

假設調制器與射頻源完全匹配，則調制器兩端的交流電壓：

假設調制器為理想調制器，兩支路完全對稱，當外加電壓為v時，引起的相位差：

其中，v=VDC+vm，VDC為直流偏置電壓。

根據調制器的傳輸特性，調制器的輸出光功率為：

TFF為鏈路固有光損耗，PI為光源的輸出光功率。

當VDC=Vπ/2，調制器工作在Q點，此時鏈路工作在線性區，由于vm VDC，調制信號的光輸出功率：

則探測器的光電流：

其中，ηD為探測器的光響應度。當探測器內部的匹配電阻Rdm與負載阻抗Rload匹配良好時，則負載輸出功率為：

則鏈路增益：

其增益G可簡化為：

圖1：外強度調制—直接探測光鏈路原理框圖

圖2：外調鏈路的小信號模型

圖3：微波光鏈路測試框圖

圖4：DFB激光器RIN測試曲線

圖5：可視化微波光鏈路預估軟件

圖6：光鏈路增益實測值與理論值對比曲線

圖7：光鏈路噪聲系數實測值與理論值對比曲線

1.2 噪聲系數

鏈路噪聲系數（NF）主要是為了描述信號在經微波傳輸鏈路后信噪比的惡化程度。定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值。與信號的帶寬無關，只于鏈路內部的噪聲有關。外調鏈路的噪聲主要由激光器相對強度噪聲、探測器散粒噪聲以及熱噪聲組成。噪聲系數的計算公式可參考下式[4]：

1.3 無雜散動態范圍

無雜散動態范圍（SFDR）用于描述由非線性效應所產生的我們不希望出現的頻率分量，是針對雙頻信號來定義的。可定義為這樣一個系統輸入（或輸出）的信號功率范圍：在這個范圍內系統輸出的基頻功率處于底噪之上，而同時系統輸出的所有雜散信號功率都恰好低于或等于系統的底噪[5]。對于一條理想的外強度調制直接探測鏈路，受MZM的正弦傳輸特性影響，其SFDR受限于鏈路的三階非線性[6]。1Hz帶寬的無雜散動態范圍表達式如下：

圖8：無雜散動態范圍實測值與理論值對比曲線

對于一個標準的MZM，IIP3是MZM半波電壓的函數，它不受調制器偏置角度的影響，因為偏置點的漂移對基頻和三階交調的影響是一樣的。

由于MZM半波電壓隨頻率升高而升高，噪聲系數和IIP3均隨頻率升高而增大，這兩種機制的共同作用，使得SFDR隨頻率變化不大。

很明顯，鏈路性能的提升高度依賴于器件性能的提升。高功率，低RIN光源，合適的半波電壓MZM，高響應度、高飽和功率光電二極管均有利于外調鏈路直接探測鏈路的性能提升。

2 外調微波光鏈路搭建

本文搭建了外調微波光鏈路測試框圖如圖3，對增益、噪聲系數，無雜散動態范圍進行測試。接下來對核心器件的選用進行簡要介紹。

2.1 光源

結合現有器件水平，光源采用大功率、低噪聲DFB激光器，設計了自動溫度控制（ATC）、自動功率控制（APC）驅動電路。圖4中曲線Tr2、Tr3、Tr1的驅動電流分別為140mA、160mA、和180mA，光功率逐漸增大，相應的RIN值最高點會略有下降。當驅動電流為180mA時，光源的輸出功率為50mW，RIN的測試曲線如圖4的Tr1所示，其RIN=-157.3dB/Hz@18GHz，最大RIN值在10GHz附近，約為-154.3dB/Hz。

2.2 電光調制器

外調鏈路選用LiNO3馬赫-曾德爾強度調制器，其傳輸函數與調制器的偏置點和頻率有關，可表示為：

αh和Lh分別為調制器輸入和微波光場交互點間傳輸線的衰減系數和衰減長度，α和L為微波-光場交互區的衰減和長度。Vπ（DC）為直流半波電壓，與L成反比。由于射頻匹配，調制器半波電壓隨頻率的升高而升高。

外調鏈路的增益與S2mzi成正比，當φ=0時，調制器工作在正交偏置點，鏈路增益最大。

本文設計了自動偏置點控制電路（MBC），通過PID控制，將調制器設置在正交偏置點工作。不同頻點的半波電壓如下：

2.3 光探測器

在高增益、低噪聲鏈路中，光探測器的兩個關鍵指標是響應度和飽和光功率，高響應度和高輸入光功率，可以提升探測器的光電流，從而提升鏈路增益等指標。其中響應度和頻率有關，可表示如下：

rd（DC）為直流響應度，Rl、Rd分別為探測器的負載電阻和串聯接觸電阻。從公式中可以看出探測器的帶寬受器件電容Cd限制。

本文選用探測器工作在線性工作區，實際測試時發現在20GHz頻帶內，其光電流變化不大，故其響應度變化不大，約為0.85A/W，飽和光功率為10dBm。

3 測試結果

選用上述參數器件搭建了外調微波光鏈路，理論值通過可視化微波光鏈路預估軟件計算，如圖5所示。

測試光探測器電流不同時，得到光鏈路增益實測值與理論值對比曲線如圖6所示，噪聲系數實測值與理論值對比曲線如圖7所示，探測器光電流為5mA時，三階無雜散動態范圍的理論值與實測值對比曲線如圖8所示。可以看出增益、噪聲系數、無雜散動態范圍的實測結果和理論結果擬合較好，差異主要是由于阻抗匹配，光纖損耗，半波電壓測試誤差等引起，其中10GHz附近的噪聲系數增大主要受光源RIN峰值的影響。當采用同一激光器、調制器，探測器的光電流增大，有利于鏈路增益和噪聲系數的提升。

4 結論

文章通過搭建外強度調制直接探測微波光鏈路，對其關鍵參數增益、噪聲系數、動態范圍進行測試，與理論值進行對比分析，設計了外調微波光鏈路指標預估可視化軟件，提高微波光鏈路設計效率，接下來的工作將集中在器件提升和芯片集成上。