基于EDFA的微波光子鏈路噪聲系數(shù)研究*

張靜 戴澤璟 梁會娟 張業(yè)斌 崇毓華

1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088；2. 安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室 安徽 合肥 230088

引言

微波光子學(xué)融合了模擬光纖技術(shù)和微波技術(shù)，其是利用光子技術(shù)來完成微波系統(tǒng)中射頻信號的處理和傳輸。其中光生毫米波技術(shù)[1]、光纖無線電（ROF）技術(shù)[2]、光控相控陣技術(shù)[3]等微波光子學(xué)技術(shù)的分支成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。微波光子技術(shù)的超寬帶、高集成、低串?dāng)_、靈活調(diào)諧與重構(gòu)優(yōu)勢可極大的提升雷達(dá)系統(tǒng)、電子對抗的綜合性能。但目前也存在鏈路損耗較高、噪聲系數(shù)過大等問題。因此低噪聲的微波光子鏈路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一直都是微波光子學(xué)的研究熱點(diǎn)。為了解決鏈路損耗過大，提高探測器的光功率，微波光子鏈路中往往會加入摻鉺光纖放大器（EDFA）。含有EDFA的微波光子鏈路，鏈路的噪聲演化問題更加復(fù)雜，因此開展EDFA系統(tǒng)噪聲系數(shù)的研究很有必要。

1 理論分析

微波光子鏈路根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以分為直接調(diào)制和外調(diào)制鏈路。外調(diào)制鏈路和直接調(diào)制鏈路相比，具有更好的噪聲特性[4]，本文以典型的外強(qiáng)度調(diào)制與直接探測（IMDD）結(jié)構(gòu)的微波光鏈路為例進(jìn)行分析微波光子鏈路噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲、RIN噪聲。下面我們分析某種噪聲占主導(dǎo)地位時，噪聲系數(shù)的影響因素。

1.1 散粒受限系統(tǒng)

在散粒噪聲受限系統(tǒng)中，當(dāng)散粒噪聲在鏈路輸出噪聲譜密度中占主導(dǎo)優(yōu)勢時，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)滿足以下公式：

系統(tǒng)噪聲系數(shù)和進(jìn)探測器光功率以及Vπ有關(guān)，Vπ一定的情況下，（探測器響應(yīng)度一定的情況下），增加進(jìn)探測器的光功率可以降低噪聲系數(shù)。持續(xù)增大進(jìn)探測器的光功率，系統(tǒng)從散粒受限系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為RIN噪聲受限系統(tǒng)，此時改變進(jìn)探測器的光功率無法改變系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

1.2 RIN噪聲受限系統(tǒng)

在RIN噪聲受限系統(tǒng)中，當(dāng)RIN噪聲在鏈路輸出噪聲譜密度中占主導(dǎo)優(yōu)勢時，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)滿足以下公式：

從公式中可以看出，Vπ一定的情況下，系統(tǒng)噪聲系數(shù)只與RIN噪聲有關(guān)。

1.3 噪聲演化

對于指定的微波光子鏈路，系統(tǒng)的總噪聲實(shí)際上是RIN噪聲和散粒噪聲的疊加。滿足以下公式：

系統(tǒng)中如果引入EDFA，噪聲的演化規(guī)律有所不同。下面我們假定系統(tǒng)采用的激光器RIN噪聲為-165dBc/Hz，探測器響應(yīng)度為0.85A/W，進(jìn)行仿真。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，有光放系統(tǒng)在進(jìn)探測器光功率較低時，系統(tǒng)的總噪聲曲線與散粒噪聲曲線接近重合。無光放系統(tǒng)在進(jìn)探測器光功率較高時系統(tǒng)的總噪聲曲線與RIN噪聲曲線接近重合。

圖1 無光放系統(tǒng)與光放系統(tǒng)噪聲演化（進(jìn)EDFA光功率為-4dBm）

從圖中可以得出以下結(jié)論：①有光放系統(tǒng)，進(jìn)EDFA光功率為-4dBm時進(jìn)探測器光功率≥6dBm，認(rèn)為微波光子鏈路系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)，此時RIN噪聲曲線與總噪聲曲線重合。②無光放系統(tǒng)，進(jìn)探測器光功率≥20dBm，認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)。從圖中可以看出EDFA的光功率直接影響系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)時進(jìn)探測器的光功率。

無光放系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)的拐點(diǎn)與激光器的RIN噪聲有關(guān)，激光器的RIN噪聲越低，拐點(diǎn)處進(jìn)探測器的光功率越大。有光放系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)的拐點(diǎn)與EDFA引入的RIN噪聲有關(guān)。引入的RIN噪聲與進(jìn)EDFA的光功率有關(guān)，當(dāng)自發(fā)輻射-信號拍頻噪聲占主導(dǎo)地位，EDFA引入的RIN噪聲滿足以下公式：

從公式中可以看出EDFA的光功率越大，EDFA引入的RIN噪聲越小。RIN噪聲越小，系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)時，拐點(diǎn)處進(jìn)探測器的光功率越大。換句話說，在系統(tǒng)進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)之前，都是可以通過提高探測器光功率來降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)。下面主要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證此公式的適用范圍，探討EDFA的光功率的上限。

2 實(shí)驗(yàn)鏈路

按照如圖2所示搭建實(shí)驗(yàn)鏈路。激光器選用I-TUTC34波長，輸出光功率為19dBm，調(diào)制器為鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器，通過偏壓控制使其工作在正交工作點(diǎn)處，微波光子鏈路的光損耗為7dB。為了驗(yàn)證低功率進(jìn)EDFA系統(tǒng)時系統(tǒng)的噪聲特性，在鏈路中加入可調(diào)衰減器VOA1，使進(jìn)入EDFA的光功率為-12dBm。EDFA輸出光功率為17dBm。根據(jù)前文分析，進(jìn)探測器光功率≥1dBm，系統(tǒng)就進(jìn)入RIN受限系統(tǒng)。因此調(diào)節(jié)VOA2使探測器光功率為1dBm。

圖2 實(shí)驗(yàn)鏈路

按照實(shí)驗(yàn)鏈路搭建測試系統(tǒng)，在13GHz處實(shí)測增益G=-36dB，噪底=-161dBm/Hz，噪聲系數(shù)NF=49dB。下面來驗(yàn)證理論公式的適用性。

進(jìn)入EDFA光功率為-12dBm ，EDFA 的光的噪聲系數(shù)取5，帶入公式（4）得到EDFA的RIN噪聲為-138.9dBc/Hz。

由EDFA的RIN噪聲轉(zhuǎn)化的輸出端射頻噪聲為：

（此計(jì)算R取0.85A/W，PDin=1dBm相當(dāng)于1.25mw，Idc=1.0625mA）

系統(tǒng)的散粒噪聲所導(dǎo)致的輸出噪聲功率譜為：

系統(tǒng)為RIN噪聲受限系統(tǒng)，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)滿足公式（2），Vπ取4.3V，得到NF=50.76dB。實(shí)測49dB，理論50.76dB，兩個結(jié)果比較接近。

調(diào)節(jié)VOA1繼續(xù)增大進(jìn)EDFA光功率，使進(jìn)入EDFA光功率大于10dBm。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中選用EDFA對輸入EDFA最大光功率有限制，實(shí)驗(yàn)中EDFA輸入最大功率只測到12dBm。實(shí)測噪聲系數(shù)和公式推導(dǎo)相差太大，公式（4）不再適用。許多EDFA的生產(chǎn)商都會將NF0定義為EDFA輸入功率的函數(shù)，當(dāng)進(jìn)入EDFA光功率大于10dBm，NF0不再是常量，隨著EDFA輸入功率的增大而增大。

當(dāng)進(jìn)入EDFA光功率≤10dBm時，通過公式（4）可以看出，進(jìn)EDFA光功率越大，EDFA引入的RIN噪聲越小。RIN噪聲受限系統(tǒng)（Vπ一定的情況下），NF只和系統(tǒng)的RIN噪聲有關(guān)。此時EDFA引入的RIN噪聲大于激光器的RIN噪聲-165dBc/Hz，只考慮EDFA引入的RINEDFA，NF與EDFA輸入光功率近似呈線性關(guān)系，EDFA輸入光功率越小，NF越小。這一結(jié)論對指導(dǎo)實(shí)際的微波光子鏈路設(shè)計(jì)非常重要，可以根據(jù)系統(tǒng)中進(jìn)EDFA的光功率大小估算鏈路噪聲系數(shù)。

當(dāng)進(jìn)入EDFA光功率＞10dBm，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與輸入EDFA光功率不再滿足線性關(guān)系，出現(xiàn)壓縮。

3 結(jié)束語

本文分析了微波光子鏈路噪聲系數(shù)影響的主要因素。在散粒噪聲受限系統(tǒng)中，系統(tǒng)噪聲系數(shù)和進(jìn)探測器光功率以及Vπ有關(guān)。在Vπ和探測器響應(yīng)度一定的情況下，增加進(jìn)探測器的光功率可以降低噪聲系數(shù)。持續(xù)增大進(jìn)探測器的光功率，系統(tǒng)從散粒受限系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為RIN噪聲受限系統(tǒng)，此時改變進(jìn)探測器的光功率無法改變系統(tǒng)噪聲系數(shù)。RIN噪聲受限系統(tǒng)通過降低激光器的RIN噪聲（無EDFA系統(tǒng)）或者（有EDFA的系統(tǒng)）增加進(jìn)EDFA光功率，均可降低噪聲系數(shù)。