基于π型結(jié)構(gòu)的光電探測器功率合成陣列

龍丹桂，文化鋒，柯 昂，劉 春，應祥岳，李 軍

（寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波 315211）

基于π型結(jié)構(gòu)的光電探測器功率合成陣列

龍丹桂，文化鋒，柯 昂，劉 春，應祥岳，李 軍

（寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波 315211）

針對ROF（光載無線通信）基站需要高功率大帶寬光電探測器的問題，提出π型光電探測器陣列功率合成電路。通過將探測器嵌入在用電感互連的人工傳輸線上，即按照陣列式結(jié)構(gòu)將單個π型光電探測器電路組合起來構(gòu)成所需電路，實現(xiàn)功率合成，從而得到高功率大帶寬的信號。電路首尾支路級聯(lián)兩個二極管來降低等效結(jié)電容以達到電路的最佳阻抗匹配。仿真結(jié)果表明，π型光電探測器陣列能在保持大帶寬的同時對各級光電二極管功率進行有效地合成，相比于同級的行波探測陣列合成效率更高。

π型結(jié)構(gòu)；探測陣列；功率合成；光/電轉(zhuǎn)換；行波

0 引 言

在ROF（光載無線通信）中，所有復雜的處理都集中在中心站，基站的作用僅用來實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，這樣可以大大降低基站的成本和復雜度，可以合理地增加基站個數(shù)從而使組網(wǎng)更為靈活。光電探測器是ROF基站中最關鍵的器件。由于光電探測器輸出的功率有限，基站中需要配置成本昂貴的毫米波功率放大器。如果能獲得高功率大帶寬的光電探測器，不僅可以改變基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取消毫米波功率放大器，降低成本，還可以改善基站以及整個ROF的性能［1］。通過改變單個光電探測器的材料、結(jié)構(gòu)等來提高光電探測器的功率和帶寬的研究已經(jīng)很成熟。在此基礎上進一步提出用組合的光電探測器電路來提高毫米波光電探測器的輸出功率。目前，對光電探測器進行組合的功率合成電路有兩類，一類是行波光電探測陣列功率合成［2-4］；另一類是NBUTC-PD（線性級聯(lián)近彈道單行載流子光電二極管功率合成）［5-6］。本文基于這兩種結(jié)構(gòu)提出π型光電探測器陣列功率合成電路，它能夠?qū)Χ鄠€光電探測器進行功率合成，得到大帶寬高功率的輸出。

1 工作原理

圖1　單個光電二極管阻抗匹配構(gòu)成的傳統(tǒng)光電探測器

1.1行波光電探測器陣列

光電探測器通常由一個光電二極管、一個50Ω的負載電阻和一個50Ω的阻抗匹配終端電阻三部分組成，如圖1所示。探測器輸出負載的信號電流為入射的一半。這種探測器帶寬主要影響因素是結(jié)電容決定的時間常數(shù)，探測器響應的截止頻率fc可表示為

式中，Cd為光電二極管的結(jié)電容；Z0為匹配負載阻抗，Z0=50Ω。

行波光電探測器是將探測器嵌入在一個用電感相互連接的人工傳輸線上的陣列電路。這種人造傳輸線的特性阻抗Za為電感與電容的比，即

式中，L為每個濾波器部分的電感。

該光電二極管陣列的截止頻率為

這種結(jié)構(gòu)結(jié)電容不會疊加，但每個光電二極管的光電流在每條支路上會有時間常數(shù)延遲分離。電流的傳播延時為

由于這個延遲，光電流不能在終端負載上同相位的合成。解決這個問題的辦法是在光電探測器上加上適當?shù)墓怵伻刖W(wǎng)絡來實現(xiàn)與電延時同步的光延時。行波探測陣列光路饋送原理如圖2所示。

圖2　行波探測陣列光路饋送原理圖

1.2π型光電探測器陣列

π型光電探測器陣列結(jié)構(gòu)等效電路的基本單元包含兩個探測器等效結(jié)電容和一個電感元件，等效于一個π型濾波器電路，如圖3所示。

圖3　π型濾波器和π型光電探測器陣列單元結(jié)構(gòu)

將這些低通濾波器級聯(lián)在一起產(chǎn)生一個階梯網(wǎng)絡，類似于傳輸線的近似集總參數(shù)，也就是我們提出的π型光電探測器陣列結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　直接用基本單元級聯(lián)的π型光電探測器陣列結(jié)構(gòu)

由式（2）可知，人造傳輸線的特性阻抗Za為電感與電容的比，在這個結(jié)構(gòu)中，等效結(jié)電容為2Cd，因為特性阻抗Za為固定值（Za=50Ω），所以有

式中，2L為濾波器部分的電感。這樣一來，該光電探測器陣列的截止頻率為

按照上述方法進行合成，相比于傳統(tǒng)的光電探測器陣列，不僅性能沒有提高，帶寬反而變小了。為了解決這一問題，文中將每個π型濾波器基本單元的等效電容減半，即相應的基本單元兩條支路的等效電容值均變?yōu)镃d/2，根據(jù)式（2），相應的電感值變成L，級聯(lián)以后，中間支路等效電容并聯(lián)合并后為一個光電二極管的等效結(jié)電容Cd，第1個和第N個支路為1/2倍光電二極管等效結(jié)電容。因為在電路中基本的器件是光電二極管，而二極管的等效結(jié)電容是固定的，所以在第1個和第N個支路中不能通過改變基本元器件來減少等效電容，這里采取的辦法是通過串聯(lián)兩個光電二極管，達到減少等效結(jié)電容的目的，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　π型光電探測器陣列結(jié)構(gòu)原理圖

在這個結(jié)構(gòu)中，π型光電二極管陣列的截止頻率也可用式（3）表示，即帶寬不再變小。但電路中會存在電延時現(xiàn)象，我們通過光饋入網(wǎng)絡來解決這個問題。在光電探測器中加入適當?shù)墓怵伻刖W(wǎng)絡，實現(xiàn)與電延時同步的光延時。電路的延時可以用式（4）表示。單條探測支路的輸出電流In可以表示為

式中，ω為微波信號頻率；τ0為各光電二極管支路輸出之間的光時延差；η為探測器的響應率；pout為輸出光功率；N為探測器輸出支路數(shù)；n為從左到右輸出支路的序號。則各支路探測器輸出的電流之和I0可以表示為

由于光延遲和電延遲相等，所以探測器總的射頻輸出電流為

即在π型光電探測器陣列的負載端獲得了N倍于單條支路二極管的光電流。

2 仿真及結(jié)果分析

為了驗證所提出的π型探測器陣列電路的可行性，下面將具體對一級π型探測器、四級π型探測器和四級行波探測器陣列的性能進行仿真比較。常見的光電二極管的結(jié)電容為0.15～0.2pF，仿真中取Cd=0.2pF，由式（3）得出L=500pH，單個光電二極管輸出電流設置為100mA。

圖6　一級π型探測器與四級π型探測器陣列輸出電流比較

圖7　一級π型探測器與四級π型探測器陣列工作帶寬比較

圖6、圖7分別為一級π型探測器與四級π型探測器陣列的仿真結(jié)果。由圖6可以看出，四級π型探測器陣列輸出電流幅值（250mA）比一級π型探測器輸出電流幅值（100mA）大，因為一級π型探測器中有兩條支路，而四級π型探測器陣列中有5條支路，從而可以得出四級π型探測器陣列實現(xiàn)了各支路光電二極管輸出的功率合成。由圖7可得出，四級π型探測器陣列和一級π型探測器工作帶寬（-3dB帶寬）都約為30GHz，與理論計算結(jié)果一致。即相比于一級π型探測器，四級π型探測器陣列在保持工作帶寬的同時，既合成了功率，也提高了電路的匹配性能。

圖8　四級行波探測器與四級π型探測器陣列電流比較

圖9　四級行波探測器與四級π型探測器陣列帶寬比較

圖8、圖9分別為四級行波探測器與四級π型探測器陣列的模擬結(jié)果。由圖8可以看出，四級π型探測器陣列輸出電流幅值（250mA）比四級行波探測器輸出電流幅值（200mA）大。由圖9可得到，四級π型探測器陣列和四級行波探測器工作帶寬（-3dB帶寬）都約為30GHz，與理論計算結(jié)果一致。即相比于四級行波探測器，四級π型探測器陣列在保持工作帶寬的同時，在級數(shù)相同的情況下輸出電流要大。

3 結(jié)束語

針對ROF系統(tǒng)需要高功率大帶寬的光電探測器，提出了π型探測器陣列功率合成電路?；诶碚摲治龊头抡嫫脚_，對π型探測器陣列功率合成電路進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：π型探測器陣列能夠有效地合成多路探測器功率；在連接電感相同的情況下，π型探測器陣列能比行波探測陣列多級聯(lián)一路探測器，獲得了更大的合成功率，而且能在輸出合成功率基礎上，保持探測器工作帶寬不變。探測器合成功率的大小會隨著級數(shù)的增加而增加，在實際應用中應根據(jù)具體情況選擇合理的級數(shù)來滿足輸出功率的要求。

［1]劉潔.毫米波Radio-over-Fiber光無線接入網(wǎng)絡的關鍵技術研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

［2]GOLDSMITH C L，MAGEL G A，BACA R J.Principles and Performance of Traveling-wave Photodetector Arrays［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，45（8）：1342-1350.

［3]FU Y，PAN H，LI Z，et al.High linearity photodiode array with monolithically integrated Wilkinson power combiner［C］//IEEE Topical Meeting on Microwave Photonics（MWP），2010.Montreal：IEEE，2010：111-113.

［4]GOLDSMITH C L，MAGNUSSON R.Bandwith improvements forloaded-line traveling wave electro-optic modulators［C］//IEEE International Conference Microwave Symposium Digest 1995.Orlando，USA：IEEE，1995：1499-1502.

［5]KUO F M，CHOU M Z，SHI J W.Linear-cascade near-ballistic unitraveling-carrier photodiodes with an extremely high saturation current-bandwidth product ［J］.Journal of Lightwave Technology，2011，29（4）：433-438.

［6]劉硯濤，劉玉蓓.LC濾波器設計方法介紹及其仿真特性比較［J］.電子測量技術，2010，33（5）：17-21.

The Power Synthesis Photoelectric Detector Array based on PI Type Structure

LONG Dan-gui，WEN Hua-feng，KE Ang，LIU Chun，YING Xiang-yue，LI Jun
（College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

The high-power high-bandwidth photodetector is required at the base station in the Radio over Fiber（ROF）system. This paper presents a power combining circuit research on PI type photoelectric detector array.The probe is embedded in an inductor connected with artificial transmission lines.In order to obtain high power and large bandwidth signal，each group of unit structure of PI type circuit of photoelectric detector are connected with inductors based on the structure of array structure together to constitute the required structure.In order to achieve the best match，the first and final stage synthetic circuit branches are cascaded with two photodiode to reduce the equivalent capacity of synthetic circuit.Simulation results show that this arrangement can effectively combine multiple RF photocurrents while keeping the large bandwidth.Comparing with traveling wave detector array at the same level，the combining performance of PI type photoelectric detector array is better.

PI type structure；detector array；power combining；photoelectric conversion；traveling wave

TN29

A

1005-8788（2016）02-0053-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.017

2015-12-17

國家自然科學基金資助項目（61371061）；浙江省自然科學基金資助項目（LY12F01010）；浙江省重中之重學科開放基金資助項目（xkxl1537）

龍丹桂（1992-），女，湖南益陽人。碩士，主要研究方向為光載無線通信。

文化鋒，副教授。E-mail：wenhuafeng@nbu.edu.cn