外調(diào)微波光子收發(fā)鏈路研究

孫雷 許向前 張恒晨 李宇 邢星

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

近年來(lái)，微波光子學(xué)的快速發(fā)展和進(jìn)步，使得微波光子鏈路受到廣泛的關(guān)注和研究。微波光子鏈路是具有接收、傳輸、發(fā)射微波信號(hào)等功能的光電鏈路，具有寬帶、低損耗、輕質(zhì)、小尺寸、抗電磁干擾等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到雷達(dá)、衛(wèi)星通信、機(jī)載傳輸?shù)阮I(lǐng)域?？梢詫?shí)現(xiàn)包括寬帶信號(hào)傳輸、本振分發(fā)、真時(shí)延、合波與分束等光域操縱，是光控相控陣?yán)走_(dá)、分布式雷達(dá)的核心器件。在雷達(dá)系統(tǒng)和天線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)微波光鏈路提出低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍的需求。憑借技術(shù)以及器件水平的遙遙領(lǐng)先，國(guó)外諸多實(shí)驗(yàn)室和公司已經(jīng)做出增益很高、噪聲系數(shù)很低、動(dòng)態(tài)范圍很大的高性能微波光子鏈路[1]-[2]。

相比直調(diào)激光器，采用大功率、低RIN噪聲的外調(diào)光源能夠獲得更高的調(diào)制效率和信噪比。尤其是光源功率較高時(shí)，外調(diào)鏈路的性能優(yōu)勢(shì)更明顯。本文通過(guò)搭建外強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)微波光鏈路，對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)試，與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了外調(diào)微波光鏈路指標(biāo)預(yù)估可視化軟件，提高微波光鏈路設(shè)計(jì)效率。

1 微波光鏈路性能評(píng)價(jià)參數(shù)

外強(qiáng)度調(diào)制—直接探測(cè)光鏈路由三個(gè)核心器件組成，分別是光源（LD）、馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器（MZM）和光探測(cè)器（PD）。RF輸入信號(hào)經(jīng)MZM調(diào)制到光載波上，經(jīng)光纖傳輸后輸入到PD進(jìn)行解調(diào)輸出，其原理框圖如圖1所示。

評(píng)價(jià)微波光鏈路的性能參數(shù)主要有鏈路增益、噪聲系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍。在一些文獻(xiàn)中多采用外調(diào)鏈路的小信號(hào)模型進(jìn)行分析[3]，本文根據(jù)選用器件的原理圖，建立小信號(hào)模型如圖2所示。

1.1 增益

假設(shè)調(diào)制器與射頻源完全匹配，則調(diào)制器兩端的交流電壓：

假設(shè)調(diào)制器為理想調(diào)制器，兩支路完全對(duì)稱(chēng)，當(dāng)外加電壓為v時(shí)，引起的相位差：

其中，v=VDC+vm，VDC為直流偏置電壓。

根據(jù)調(diào)制器的傳輸特性，調(diào)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(dāng)VDC=Vπ/2，調(diào)制器工作在Q點(diǎn)，此時(shí)鏈路工作在線性區(qū)，由于vm VDC，調(diào)制信號(hào)的光輸出功率：

則探測(cè)器的光電流：

其中，ηD為探測(cè)器的光響應(yīng)度。當(dāng)探測(cè)器內(nèi)部的匹配電阻Rdm與負(fù)載阻抗Rload匹配良好時(shí)，則負(fù)載輸出功率為：

則鏈路增益：

其增益G可簡(jiǎn)化為：

圖1：外強(qiáng)度調(diào)制—直接探測(cè)光鏈路原理框圖

圖2：外調(diào)鏈路的小信號(hào)模型

圖3：微波光鏈路測(cè)試框圖

圖4：DFB激光器RIN測(cè)試曲線

圖5：可視化微波光鏈路預(yù)估軟件

圖6：光鏈路增益實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線

圖7：光鏈路噪聲系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線

1.2 噪聲系數(shù)

鏈路噪聲系數(shù)（NF）主要是為了描述信號(hào)在經(jīng)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(hào)的帶寬無(wú)關(guān)，只于鏈路內(nèi)部的噪聲有關(guān)。外調(diào)鏈路的噪聲主要由激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲、探測(cè)器散粒噪聲以及熱噪聲組成。噪聲系數(shù)的計(jì)算公式可參考下式[4]：

1.3 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）用于描述由非線性效應(yīng)所產(chǎn)生的我們不希望出現(xiàn)的頻率分量，是針對(duì)雙頻信號(hào)來(lái)定義的?？啥x為這樣一個(gè)系統(tǒng)輸入（或輸出）的信號(hào)功率范圍：在這個(gè)范圍內(nèi)系統(tǒng)輸出的基頻功率處于底噪之上，而同時(shí)系統(tǒng)輸出的所有雜散信號(hào)功率都恰好低于或等于系統(tǒng)的底噪[5]。對(duì)于一條理想的外強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍表達(dá)式如下：

圖8：無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線

對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MZM，IIP3是MZM半波電壓的函數(shù)，它不受調(diào)制器偏置角度的影響，因?yàn)槠命c(diǎn)的漂移對(duì)基頻和三階交調(diào)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(shù)和IIP3均隨頻率升高而增大，這兩種機(jī)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(lài)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(yīng)度、高飽和功率光電二極管均有利于外調(diào)鏈路直接探測(cè)鏈路的性能提升。

2 外調(diào)微波光鏈路搭建

本文搭建了外調(diào)微波光鏈路測(cè)試框圖如圖3，對(duì)增益、噪聲系數(shù)，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)試。接下來(lái)對(duì)核心器件的選用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 光源

結(jié)合現(xiàn)有器件水平，光源采用大功率、低噪聲DFB激光器，設(shè)計(jì)了自動(dòng)溫度控制（ATC）、自動(dòng)功率控制（APC）驅(qū)動(dòng)電路。圖4中曲線Tr2、Tr3、Tr1的驅(qū)動(dòng)電流分別為140mA、160mA、和180mA，光功率逐漸增大，相應(yīng)的RIN值最高點(diǎn)會(huì)略有下降。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為180mA時(shí)，光源的輸出功率為50mW，RIN的測(cè)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(diào)制器

外調(diào)鏈路選用LiNO3馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器，其傳輸函數(shù)與調(diào)制器的偏置點(diǎn)和頻率有關(guān)，可表示為：

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

外調(diào)鏈路的增益與S2mzi成正比，當(dāng)φ=0時(shí)，調(diào)制器工作在正交偏置點(diǎn)，鏈路增益最大。

本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)偏置點(diǎn)控制電路（MBC），通過(guò)PID控制，將調(diào)制器設(shè)置在正交偏置點(diǎn)工作。不同頻點(diǎn)的半波電壓如下：

2.3 光探測(cè)器

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

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

本文選用探測(cè)器工作在線性工作區(qū)，實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在20GHz頻帶內(nèi)，其光電流變化不大，故其響應(yīng)度變化不大，約為0.85A/W，飽和光功率為10dBm。

3 測(cè)試結(jié)果

選用上述參數(shù)器件搭建了外調(diào)微波光鏈路，理論值通過(guò)可視化微波光鏈路預(yù)估軟件計(jì)算，如圖5所示。

測(cè)試光探測(cè)器電流不同時(shí)，得到光鏈路增益實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線如圖6所示，噪聲系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線如圖7所示，探測(cè)器光電流為5mA時(shí)，三階無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線如圖8所示?？梢钥闯鲈鲆?、噪聲系數(shù)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)測(cè)結(jié)果和理論結(jié)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(cè)試誤差等引起，其中10GHz附近的噪聲系數(shù)增大主要受光源RIN峰值的影響。當(dāng)采用同一激光器、調(diào)制器，探測(cè)器的光電流增大，有利于鏈路增益和噪聲系數(shù)的提升。

4 結(jié)論

文章通過(guò)搭建外強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)微波光鏈路，對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)試，與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了外調(diào)微波光鏈路指標(biāo)預(yù)估可視化軟件，提高微波光鏈路設(shè)計(jì)效率，接下來(lái)的工作將集中在器件提升和芯片集成上。