（物理电子学专业论文）radio+over+fiber系统的性能研究及其实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 r a d i oo v e rf i b e r0 t o f ) 技术豹应用存在着巨大的优势和美好的发展前景。但 随着调制速率和调制频率的增大，r o f 系统的传输非线性变得较为突出，成为影 响系统性能的一个重要因素，这也是r o f 技术真正得到广泛应用所必须解决的 问题。 本文建立了一个r o f 系统，并对其性能进行了研究。在性能研究方面，测 试了1 5 5 0 r i m 波段的r o f 系统的1 g h z i s g h z 微波通信各种性能参数，包括系 统响应、噪声系数、三阶互调、动态范围等，并给出r o f 系统中各个部分对性 能影响的分析。 在改善系统频率响应不平坦方面，利用光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g 。 f b g ) 的透射谱来实现频响倾斜的补偿。根据不同r o f 系统的频响特性，进行 i 理论计算并根据计算结果制作合适的f b g ，将其露入r o f 系统进行抑制载波和 频晌均衡，以及在长距离传输系统中进行残留边带调制在改善频啕的同时弥补了 长距离光纤传输引起的色散问题。实验结果表明不同的r o f 系统经过改善后的 频率响应平坦度可以达到2 d b ，可以满足实际通信要求。 关键词：r o f 系统，光纤光栅，频响均衡，色散补偿 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu o fr a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) h a sq u i c k l yd e v e l o p e da n dh a sr e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nn o w a d a y s h o w e v e r , c o m p o n e n t si nt h er o fs y s t e mu s u a l l yd o n o th a v ei d e a lr a d i of r e q u e n c y ( 1 r e s p o n s ew h e ni to p e r a t e si nh i g h e rr f f r e q u e n c y i ti si m p o r t a n tt oc o m p e n s a t et h ef r e q u e n c yr e s p o n s ed e c l i n a t i o ni nt h er o f s y s t e m i nt h i st h e s i s , t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nr o fs y s t e mi ss t u d i e d t h e p e r f o r m a n c 圯p a r a m e t e r so f t h er o fs y s t e m , s u c ha sg a i n , n o i s ef i g u r e ，t h i r d - o r d e r i n t e r - m o d u l a t i o n d i s t o r t i o n , s p u r i o u s - f r e ed y n a m i cr a n g e ( s f d r ) ，h a v e b e e n m e a s u r e d t h ei m p a c t so f d i f f e r e n tc o m p o n e n t so nt h er o fs y s t e ma 豫a l s od i s c u s s e d f i b e rb m g gg r a t i n g s ( f b g ) i su s e di nt h er o fs y s t e mt oi m p r o v et h es y s t e m f r e q u e n c yr e s p o n s e w ec a l c u l a t et h eo p t i c a ls p e v c t r u l l l o ff b ga c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n df a b r i c a t et h ec o r r e s p o n d i n gf b g t os e tu pt h en e ws y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o dc a ni m p r o v er o fs y s t e m r e s p o n s ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：r a d i oo v e rf i b e rs y s t e m ，f i b e rb r a g gg r a t i n g , c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ， s y s t e mf r e q u e n c yr e s p o n s e n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着高容量信息技术需求的高速发展，微波通信面临的问题越来越突出， 主要在于微波传输介质对于高频微波进行长距离传输时具有很大的损耗，从而导 致使用频率的高频扩展受限。此外，电磁辐射对人体安全的影响也越来越得到人 们的关注。而光纤通信具有体积小、重量轻，超宽带( 4 0 t h z ) 低损，可以实现几 十g b i t s 的信号传输，在波长、频率、空间上可多路合成，易于多路合成和分解 及灵活的网络结构，抗电磁干扰，无有害辐射等优点，缺点则是是移动性不够。 随着微波与光学的平行发展，出现了一种将微波学与光学两门学科的优势结合起 来的交叉领域，并形成了一门新学科一微波光子掣1 1 。 微波光子学实现了微波和光波之间的转换。微波可以提供低成本可移动无 线连接方式，而光纤提供低损宽带连接和抗电磁干扰特性 2 1 。在光纤中可以实现 射频波或更高频段信号的无衰减、无信道间相互干扰的带通传输。 r a d i oo v e rf i b e r ( r o e ) 和用光子技术实现微波信号的处理是目前微波光 子学的两个比较主要的研究范畴。r o f 是目前有线通信最典型也是最广泛的应用 通信系统，它与传统的电通信相比具有显著优点；而用光子技术实现微波信号的 处理则能提供更高的微波频率，克服电信号处理电路中有限的信号取样和控制速 度，可实现高速信号处理、宽带取样及并行操作，且相对成本低1 3 1 。 本文前半部分阐述一个完整稳定的宽带r o f 系统的搭建，并进行系统测试， 实验结果表明该系统各项性能指标能够达到实用要求；后半部分采用无源光器件 光纤布拉格光栅( f b g ) ，利用其透射谱从光域上实现了不同结构的r o f 系统性能 改善，具有创新意义。 浙江大学硕士学位论文 1 2r o f 概论 r o f 系统包括中心站c s 、基站b s 、光链路和用户端四个部分。其实现的基 本策略是：将基带信号先用射频副载波调制，然后用光链路传输，在接收端恢复 射频信号。图1 1 是r o f 的结构体系示意图【4 1 。 陵r f i n p u t ，1 m o d u l a t o f o p t i c a ls i g n a l s r es i g n a l s 图1 1 r o f 结构示意图 目前有线通信最典型也是最广泛的应用就是光纤通信系统。据统计，现世界 上8 0 以上的信息是通过光纤传送的【5 1 。与电通信相比，光通信具有如下优点 6 1 ： 1 通信容量大。由于光的载波频率在1 0 1 4 - 1 0 ”之间，因此与微波和无线电波 相比，光波具有很高的通信容量。光纤的可用带宽比较大，一般在2 5 t h z 以上。 金属电缆存在的分布电容和分布电感实际起到了低通滤波器的作用，限制了电缆 的传输频率、带宽以及信息承载能力。而光纤通信系统的1 0 g b i t s 已经商用化， 实验室里i t b i f f s 的系统也已经研制成功。光纤通信巨大的信息传输能力使其成 了信息传输的主体。 2 传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低，因而可以传输更长的距离。光纤 通信系统仅需要少量的中继器，光缆与金属电缆的造价基本相同，少量的中继器 使光纤的总成本比相应的金属电缆通信系统要低。 3 抗电磁干扰。光纤通信系统避免了电缆由于相互靠近而引起的电磁干扰。 金属电缆发生干扰的主要原因就是相互间的电磁场的影响。由于光纤的材料都是 浙江大学硕士学位论文 玻璃或者塑料，都不会导电，因而不会产生磁场，也就不存在相互之间的电磁干 扰。 4 抗噪声干扰。光纤不导电的特性还避免了光缆受闪电、电机、荧光灯以及 其他电器源的电磁干扰( e m i ) ，外部的电噪声也不影响光频的传输能力。而且 光缆不辐射射频( r f ) 能量的特性也使它不会干扰其他通信系统，这在军事上的运 用是非常理想的，而其他种类的通信系统在核武器的影响( 电磁脉冲干扰) 下则 会遭到毁灭性的破坏。 5 适应环境。光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力。它比金属光缆更能适应温 度的变好，腐蚀性的液体或者气体对其影响也比较小。 6 重量轻、安全、易敷设。 7 保密。由于光纤不向外辐射能量，很难用金属感应器对光缆进行窃听，因 此它比常用的铜缆保密性强。适用于军事的又一方面。 8 寿命长。光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。 通信系统的通信容量与系统的带宽成正比。为了方便比较，通常系统的带宽 用带宽与载频的百分比( 即带宽利用系数) 来表示。 光纤通信系统的质量指标1 7 1 ： 1 ) 有效性，指消息的传输速度。 2 ) 可靠性，指消息的质量。 3 ) 适应性，指环境使用条件。 4 ) 标准性，指元件的标准型、互换性。 5 ) 经济性，指成本是否低。 6 ) 保密性，是否便于加密。 7 ) 使用维修，是否方便。 r o f 的主要应用在于以下几个方面： 1 ) 光纤通信与现代移动通信接入网的结合1 8 】。宽带光接入网技术己成为电 信研究部门、各大电信公司和运营部门关注的焦点和投资的热点。r o f 技术在移 动通信中采用微单元的方式覆盖，在各个微单元中射频波频率可重用。这是主要 是由于射频波在自由空间大的衰减频率重用大大提高了系统的容量：小的覆盖半 径也允许在一定的性能下降低发射功率，节省了功耗。 浙江大学硕士学位论文 2 ) 蜂窝网络。移动通信是r o f 的一个重要应用领域。采用基于r o f 的微 蜂窝技术能够满足人们对于带宽的渴求，可以解决信道资源的瓶颈。并且r o f 系统的动态分配资源能力也能大大改善无线网络的性能。 3 ) r o f 小区结构1 9 1 。由于r o f 系统适宜于高载波频率的使用：光层的高速 传输及范围小、数量多的无线接入点子窝满足高载波频率带宽大、传播距离近的 要求。无线接入点子窝具有低射频功率、视线内运行的特点，这能减少干扰( 如 多径效应) ，减少环境影响。增加对人体健康的保护。廉价的无线接入点和无线 接入点子窝形状的多样化可以带来良好的覆盖，同时也使得宽带无线接入更经济 可行。单个r o f 小区的集中控制模式能够有效减少切换数量，并方便升级和改 进：多个r o f 小区c b s 问的分布式控制，可以支持宏分集，可以方便地进行动 态的无线资源配置和容量分配，缓和小区规划问题这意味着可以以有限的频率资 源获得更多的容量，可以提高q o s 质量，同时也带来更高的可靠性和更低的维 护成本。光层的应用可以降低对未来空中电磁环境的干扰，低光纤损耗( 最高 0 2 d a k m ) 将减少传输过程中信号的损失。单光纤的多业务服务，将使得工程成 本降低【1 0 1 。 4 ) 卫星通信。卫星通信是r o f 技术的第一个实际应用。 5 ) 视频传输系统。r o f 技术可以同时为移动用户提供实时连续的语音、数 据和视频等服务。视频传输系统的其中一个例子是多点视频传输服务。 6 ) 无线宽带服务。无线宽带服务是对固定宽带集成服务数字网络的一种扩 展，使得无线服务的带宽得到极大的扩展。这种服务需要采用微蜂窝的技术。 7 ) 无线接入网。随着手提设备的不断普及，无线接入网的需求也不断的增 加。高的载波频率和带宽使得在无线接入网中使用r o f 技术成为必要。 8 ) 应用于智能交通管理系统。出于车辆通信和控制的需要，基站的数目会 很多，r o f 技术将是一种经济的解决方案。 由于微波信号在空间中的作用距离小，必须设置更多的基站，使得基站的 密度增加。为了降低成本，简化基站功能成为我们努力的目标。目前的首选方案 是将微波信号的处理以及系统控制集中到中心站，在光纤中传输微波副载波调制 浙江大学硕士学位论文 的光波，将基站功能简化为仅仅处理光波与毫米波之间的转换。为此，我们必须 掌握微波副载波光纤通信需要的关键器件和技术。主要包括1 ) 微波副载波调制 的光发射机和适合于光纤传输的高频调制方式；2 ) 传输过程中的光信号处理技 术、光放大技术；3 ) 接收端的高速光电探测器、微波滤波器以及大功率放大器 等等。 1 3 微波光子信号处理 1 3 1 微波光子信号处理概述 微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，而且能实现与移动和 手提设备的互联；它传输成本低( 通过大气传输) ，采用蜂窝式系统具备高效的频 率利用率【j ”。但随着通信容量需求的增大，电处理器的带宽限制了高带宽的电信 号的处理，而以光子取代电子，在较高的速率处理信号应运而生。 微波信号的光处理能提供更高的微波频率，克服电信号处理电路中有限精 度的信号取样( 传统电信号处理方式能提供的取样频率最大仅为几g h z ，而采用光 处理技术能实现大于l o o g l i z 的取样频率) 和控制速度，实现宽带取样和并行操作， 相对成本低。这样就可以避免电子瓶颈，实现光线和射频波之间的透明转换。并 且光纤能提供了低损宽带连接，该连接方式不受电的影响。目前的主要研究方向 有：光控的a d 转换器( 脉冲激光器结合光电导体获得取样微波信号) 和可调谐的 光微波滤波器等。 而高速宽带光子器件是用光子技术处理微波信号的关键，这些光子器件主 要包括激光器、调制器、放大器、探测器、信号处理器( 例如延时、谱分析、频 率转换、信号综合、滤波、信道选择、数据转换等等) 。在利用这些光子器件实 现微波信号的光处理时要考虑插入损耗、非线性性、偏振敏感度、稳定性、实现 成本等一系列因素。本文主要应用了_ 种在线反射式光无源器件一f b g 实现了 宽带微波信号在光域上的频响均衡的新能改善，所以下面将对f b g 在微波信号的 光处理方面的应用做简要的介绍。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2f b g 在微波光子信号处理方面的应用 光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 是近年来发展最为迅速的光纤无源器件 之一。自从1 9 7 8 年首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅 以来【1 2 l ，由于光栅的许多独特的优点，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的 应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，光纤光栅 成为目前最有发展前途并且最具有代表性的光纤无源器件。可以说光纤光栅的出 现，使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用 范围。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯内锗离子相互 作用引起折射率的永久性变化，在纤芯内形成空问相位光栅，其作用实质上是在 纤芯内形成一个窄带的透射或者反射滤波器或反射镜。因而具有优良的选频特性 【1 3 1 ，可以对光纤透射谱中的任一波长进行窄带输出。利用这一特性可以构成许多 性能独特的光纤无源器件1 6 1 。例如，利用光纤光栅的窄带反射率特性构成光纤 反馈腔；依靠掺铒光纤等为增益介质则可以制成光纤激光器( 用于d f b 等结构的光 栅窄带反射器，其波长可以调节) ；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔发射器， 可以构成外腔可调谐激光二极管( 光纤光栅作为反馈外腔及用下稳定9 8 0n m 泵浦 光源) ；利用光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射可以制成e d f a 光纤放大器； 利用光纤光栅可构成m i c h e l s o n l l 7 1 干涉仪型、m a c h - z e h n d e r 1 8 1 干涉仪型和 f a b r y - p e r o t 1 9 】干涉仪型的光纤滤波器；利用闪耀型光纤光栅可以制成光纤平坦滤 波器【2 0 】；利用非均匀光纤光栅可以只能光纤色散补偿器等口1 1 广泛应用于光纤通 信及光纤传感领域。 由于有用f b g 具有低插入损耗、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便 2 2 1 以及 光谱响应特性( 带宽、反射率和边模抑制比) 的动态可控制等特点而在利用光子技 术实现微波信号的处理方面倍受青睐。例如利用短周期f b g 可以实现的不同方式 的滤波器包括窄带、宽带及带阻方式伫习，在光域上实现微波信号的滤波功能；利 用长周期f b g 则可以实现增益平坦滤波器功能刚；利用相移光栅则可以实现多通 道微波光子滤波器【2 5 1 等等，实现了不同要求下的微波信号的光处理。 本文利用了普通f b g 的透射谱分别实现了短距离传输的r o f 系统上的宽带微 浙江大学硕士学位论文 波信号的频响均衡和长距离传输的r o f 系统上的色散补偿以及频响均衡的功能。 并且通过f b g 与普通单模光纤固定熔接和温度补偿 2 6 - 2 7 解决了应力和温度变化带 来的f b g 波长漂移问题，实现了整个系统的长期稳定工作。 1 4 论文研究的内容 随着通信技术的发展，新业务不断涌现。特别是i t 业务的迅猛崛起，导致 全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速i p 数据和多 媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。光纤 的巨大潜在带宽和波分复用( w d m ) 技术的成熟应用，使光纤通信成为支撑通信 传输网络的主流技术。但随着传输信号频率的增高，光通信中各个光部件的非线 性影响就会越来越明显，成为制约高速光通信发展的一个瓶颈。如何在现有光器 件发展的基础上实现高速信号传输，改善系统的频率响应成为一个关键问题。 本论文前半部分研究利用d f b 激光器、m a c h - z e h n d e r 电光调制器、普通 单模光纤以及i n g a a sp i n 探测器组成的基本r o f 链路系统的性能，并给出具体 分析；后半部分按照所得到的频率响应，利用无源光器件f b g 在光域上改善不 同r o f 系统的频响特性响应，并通过了实验验证，具有创新意义。 本论文共分五章：第一章绪论，讨论了微波光子学两个重要研究范畴：r o f 和利用光予技术实现微波信号处理，并给出无源光器件f b g 在微波信号的光处 理方面的应用的介绍；第二章对r o f 链路性能做出介绍，并针对影响系统响应 的各个器件进行理论分析；第三章介绍实验所得到的r o f 链路性能，并根据所 得到的频率响应做出具体分析；第四章则主要是f b g 在r o f 系统频率响应均衡 方面的详细理论推导和实验验证；第五章则是本文的总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章影响r o f 系统性能的分析 光纤通信系统根据传送的信号可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信 系统。本论文主要研究模拟光纤通信系统。随着r o f 的进步，系统传输容量( 速 率) 的提高，各种光器件性能的提升，使得光传输系统中各种非线性效应逐渐显 著，克服和利用这些效应的手段也变得灵活而复杂，给系统的集成带来了越来越 多的复杂性，因而要考虑到系统设计。系统设计的主要任务就是遵循建议规范， 采用先进技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和设备，明确系统的全 部技术参数，完成实用系统的合成1 2 s l 。 2 1r o f 系统主要性能指标 描述系统性能的主要参数有：链路增益g a i n ( d b ) ，系统噪声系数n f ( d b ) ， 系统的频率响应( i i s g h z ) ，三阶互调失真i m d 3 ( d b ) ，三阶截点i p 3 ( d b 1 ) ， 无杂散动态范围s f d r ( d b h z 2 3 ) 等。 1 ) 链路增益g a i n 包括光增益和r f 增益。光增益的定义为探测器探测的 光功率与系统输入光功率之比；r f 增益定义为系统输出r f 功率与输入r f 功率 之比咧( 如图2 1 所示) 。 图2 1 链路增益结构示意图 2 ) 噪声系数n f 0 4 0 i s ef i g u r e ) 定义为输入载噪比( c n r ) i 与输出载噪比 浙江大学硕士学位论文 ( c n r m 的比值【3 0 1 。其中载噪比( c n r ) 是在规定的带宽内一个频道中的载波功 率( c ) 与噪声功率( n ) 之比，一般以d b 为单位。定义式为： c n r = l o l g 面c ( 2 1 ) 由此可以得到噪声系数n f 的表达式： n f ( d b ) = 1 0 l g 而( c n r 万) , = w - 苎丽c , i n , ( 2 2 ) 3 ) 三阶互调失真( t h i r d - o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ) 加在有源器件的输入端除了有用信号外还同时伴有一个或多个干扰信号 时，由于器件的非线性会引起多个信号间的相互作用而造成干扰。 i m d 3 定义为信号的输出功率电平减去三阶互调量功率电平的值( 如图2 2 所示) ； 迪： 。矿；磊；9 ； 图2 2 1 m d 3 具体分析为：在讨论非线性情况时可以将输出信号f 与输入信号v 。关系式写 为：i = a o + a x v j + 口2 订+ a 3 v 3 , + + + ，其中系数由器件的非线性特性 确定的。一般说来，n 值越大， 越小。 假设输入两个信号：h ( f ) = k ，c o s w l t + v 2 ，c o s w 2 t ，输入非线性器件后除了 谐波p 嵋q w 2 的分量外，还会产生很多组合频率陋p 嵋g w 2 i 的分量，p 和g 为 包含零的正整数。其中，由一次方项和三次方项产生的w l 和w 2 的基波分量为： 浙江大学硕士学位论文 地巧m + 詈矾亭巧船鲫咐 ( 2 3 ) ( 吡+ 詈矾儿2c 叫 二次方项产生的组合频率分量为： a 2 v , ，k 。c o s ( w , + 吃y + 口2 k 。v 2 _ c o s ( w , 一w 2 ) t ( 2 4 ) 笺2 州2 w - 一等2 酬z ”蚴h 旺， 半c 。m m 等竽酬2 w 2 + w l y 根据干扰信号的强弱，干扰信号的频率和调制情况可以分为几个最典型和 最重妻的影响。 a )强信号堵塞情况。当电路输入的有用信号w l 为弱信号，而另 外一个是强干扰信号w 2 ，则输出的有用信号基波分量会随着干扰信号 的增大导致输出信号电平减小甚至趋于零，这种情况称为堵塞。 ”交叉调制情况。如果有源器件输入端有相对较弱的有用信号 m 和较强的干扰信号w 2 ，而且干扰信号是幅度调制信号，例如 y 2 = 匕m ( 1 - i - m c o s d t ) e o s w 2 t ，会引起交叉调制失真。因为可以分析得 到此时有用信号基波电流分量为 ，( o * q 巧。+ 三口，巧。巧2 。( 1 + m c o s d t ) 2 c 。s 嵋， ( 2 6 ) 其幅度为： l = 粥。+ 扣k ，吃( 1 + 所c o s q ) 2 ( 2 7 ) ( 2 7 ) 包含了干扰信号的幅度变化。( f ) = 吒。( 1 + m c o s t ) t ) ，表明干扰 浙江大学硕士学位论文 信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，当有用信号也为幅度 调制时，那么通过幅度解调后会得到串扰，这即为交叉调制失真，由公 式可以看出交叉调制失真是由非线性器件的三次方项产生的。 c )互相调制情况。当两个频率十分接近的信号输入放大器时， 由器件非线性产生的许多组合频率分量中，有可能落在有效频率带宽内 的频率分量除了基波外，还可能有组合频率2 w 2 一w 1 和2 一，因为 它们比较靠近基波分量，这些组合频率是由非线性器件的三次方项产生 的。在测量中一般取信号k 。= k ，= v ，那么能通过滤波器的基波和三 阶组合频率分量的输出电流为： 上述这些组合频率分量形成对有用信号的干扰。这种干扰并不是由两输 入信号的谐波产生，而是由这两个输入信号的相互调制( 相乘) 引起的， 所以称为互调失真。 由非线性器件的三次方项引起的互调称为三阶互调，由五次方引起的称五 阶互调。本文采用三阶截点i p 3 ( t h i r d - o r d e r i n t e r c e p t p o i n t ) 来说明三阶互调失真 的程度。三阶截点i p 3 的定义为工作频率信号在理想线性系统中的输出信号与三 阶互调分量幅值相等时的交点，是一个固定点( 如图2 3 所示) ； 图2 3 三阶截点 一 寰 一和 枷 吣芝 吣竽 浙江大学硕士学位论文 为了减小三阶互调失真，需要减小调制系数。然而调制系数的减小又会降 低载噪比。两者的矛盾需要折衷，此时要看无杂散动态范围s f d r ( s p u r i o u s - f r e e d y n a m i cr a n g e ) ( 单位：d b r z 2 3 ) 。其定义为在输出端引起的三阶互调失真分量 折合到输入端恰好等于基底噪声时对应的输入r f 功率与灵敏度的比值，一般用 于窄带系统的指标说明，其计算公式为s f d r = 鲁+ ( 1 1 p 3 一n f + 1 7 3 8 ) d b h z 2 ”。 1 j 2 2 系统链路 r o f 系统调制有直接调制和外调制两种方式。前者是信号直接调制光源的输 出光强；后者是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。直接调制是激光器的 注入电缆直接随承载信息的信号而变化，少量电流的变化就可以调制激光器的光 频，大约是1 n m ，m a 【3 l i 。 采用直接调制方式是光强度调制的最简单和最容易实现的方式，然而它有着 无法避免的缺点。首先是带宽限制，尽管有报道高达4 0 g h z 的直接调制激光器 的出现【3 2 1 ，但商业上可用的直接调制激光器的调制频率只能达到1 0 g h z 或以下。 除此之外，光电流的变化会引起不希望有的光频率变化( 啁啾) ，导致调幅的同 时产生不希望的调频。 相对于直接调制而言，外调制的一个显著优点是可实现增益高。而且在高速 系统、相干系统或用非相干接收的波分复用系统中，直接调制可能出现的线性调 频使输出线宽增大，信道能量损失，并对邻近信道的串扰成为系统设计的主要限 制。采用外调制方式可以避免这些有害影响。外调制用承载信息的信号通过调制 器对激光器的连续输出进行调制。只要调制器的反射足够小，激光器的线宽就不 会增加。最常用的调制器是电光调制器电吸收调制器。而外调制的缺点则表现为： 作为一个独立元器件，它会给设计增加复杂性；引起光损耗。 本论文由于要讨论高r f 信号传输，采用了外调制方式。r o f 系统的基本框 架图如下图( 图2 4 ) 所示。它的实现光域部分采用d f b 激光器、m a c h - z e h n d e r 电光调制器、普通单模光纤以及i n g a a sp i n 探测器组；电域部分包括了r f 低 噪声放大器，测量性能时则用到微波矢量网络分析仪、r f 信号发生器以及频谱 仪。光域传输1 5 5 0 n m 窄带连续光，由于电缆损耗的影响以及r f 低噪声放大器 浙江大学硕士学位论文 频率的限制，r f 信号范围为i 1 8 g h z 。 i i i 一圈q r fp o s t - a m p - - - - - - - - - - - - - - - - o p t i c a ls i g n a l - 。一一。 r fs i g n a l 图2 4 系统框图 由于各个连接处的损耗以及反射等作用加上调制器、探测器的非线性作用 等会导致系统性能的降低，本文将做影响系统性能的具体分析并根据电域、光域 的区别而提出不同的解决方案。 2 3r o f 链路噪声分析 影响系统性能的一个重要因素是噪声。r o f 系统的噪声包括了激光器光相 对强度噪声、光电转换散弹噪声、光子噪声、光探测器后放大器的自发辐射噪声 以及热噪声。 1 ) 光源相对强度噪声指光源输出能量的振荡，是宽带光源各种f o u r i e r 分 量之间的拍频引起的附加噪声，它用来描述光源的最大可用振幅范围，定义为均 方光强度噪声( 均方光强度在lh z 带宽内的波动，单位为d b 、h z ) 与平均光功率 的平方之间的比值。光源相对强度噪声在注人电流为阈值时最大，随着温度的升 高而增大。与谱宽成反比的光源附加噪声是光源相对强度噪声的主要噪声源。相 对强度噪声是影响载噪比的一个关键。 2 ) 光电转换散弹噪声的定义为由于光生电流是一种随机产生的电流，是一 个统计平均值，存在一个随机的起伏，这种无规则的起伏称为散粒噪纠埘。散粒 浙江大学硕士学位论文 噪声是具有均匀频谱的白噪声，其电流谱密度与平均电流成正比。光电探测器的 散粒噪声有量子噪声、暗电流噪声等，其中量子噪声由光生电子与空穴的随机产 生与复合造成的。当暗电流的存在不可忽略时，均方散粒噪声电流表示为： 吒2 = 2 q ( 1 ，+ l ) v ( 2 9 ) 其中，。表示平均信号光电流，矽为检测带宽，g 为电子电荷。 3 ) 光子噪声( p h o t o nn o i s e ) 光子噪声是光电探测器的噪声之一。探测器工 作时，即使输人光功率是恒定的，由于光功率是光子数的统计平均值，每一瞬时 到达探测器的光子数是随机的，因此光生载流子的数目也是随机起伏的，这种随 机起伏产生了噪声。因为这种噪声是光子数量起伏造成的，故称为光子噪声【3 4 】。 注人探测器的光功率愈大，光子噪声就愈大。光予噪声电流与光电探测器的光电 流以及测量带宽两个参数的平方根成正比；如果探测器存在内增益，光子噪声电 流则与该增益成正比。 4 ) 热噪声存在于任何导体和半导体中，他来自电阻的内部自由电子或电荷 载流子的不规则热运动。当没有外场时，导体中的电子做无规则热运动，无定向 的迁移，因而没有电流，但由于涨落，向两个相反方向运动的电子数并不完全相 等，导致在导体和半导体中产生涨落电势( 噪声电压) ，并引起涨落电流。噪声电 压均方值诉取决于材料的温度，并有如下关系嘲： 诉= 4 k t r ( f ) d f ( 2 1 0 ) 式中，足为波尔兹曼常数；t 为材料的绝对温度；r ( j o 为电阻随频率的变 化关系。这对实际的检测电路是足够宽的。因此热噪声的频谱可看作是平直的， 为白噪声。在纯电阻的简单情况下，胄与频率无关，热噪声的输出取决于材料的 绝对温度和探测器检测电路的实际通频带鲈= 工- a ，此时珥可以写为： 诉= 4 k t r f ( 2 1 1 ) 相应的噪声电流均方值为： 浙江大学硕士学位论文 露= 诉r 2 = 4 k t a f r ( 2 1 2 ) 由上面公式可以看出，影响探测噪声的因素为温度和检测电路的带宽，所 以，可以通过降低探测器工作温度和检测电路带宽来增加探测器的探测性能和 系统的信噪比【3 6 1 。 5 ) 暗电流噪声：当探测器接人电路后，即使没有任何外来光照射( 即全暗条 件下) ，由于热电子发射、场致发射或半导体中晶格热振动所激发出来的载流子， 也会有电流输出，这种电流称为暗电流。暗电流是随机起伏的，由此在电路中引 起的噪声叫做暗电流噪纠朔。 针对不同的r o f 系统，每种噪声产生的影响是不同的。对于直接调制而言 激光器相对强度噪声是噪声主要来源，其相对强度噪声强度与光功率的平方成正 比。相对强度噪声包括激光器本身的r i n 、由光连接器反射引起的r i n 和光纤 色散引起的r i n 三部分。激光器的r i n 与频率有关，在弛豫振荡频率处最大值， 远离该频率，则其r i n 变小。在下变频的r o f 系统中，连接器反射引起的r i n 成为相对强度噪声的主要来源，从而限制了传输距离。为降低连接器的r i n ，可 以选用a p c 或者a d p c 光连接器，然而这样的成本会很高。 对于外接调制器而言，噪声则主要来自与探测器的散弹噪声。当系统中有 光放大器时还要考虑光放大器的白发辐射噪声【2 9 1 。 2 4 各个器件分析 光纤无线技术作为模拟通信技术，对系统各器件的非线性相对比较敏感， 非线性失真将有可能导致系统性能的严重恶化，因此在系统设计中需仔细的定量 考虑各个器件的非线性程度 3 9 1 。 2 4 1m a c h z e h n d e r 电光调制器 实验中用到的电光幅度调制器是在l i n i 0 3 晶体表面用钛扩散波导构成的 m a c h - z e h n d e r 干涉型电光调制器。它利用l i n i 0 3 晶体的线性电光效应，也即电 光材料的折射率n 随着施加的外电场e 而变化，从而引起输入光产生可被外加电 浙江大学硕士学位论文 压控制的相位变化，再通过使用对两个波的频率相同但相位不同进行干涉的干涉 计，相位变化可以转换为幅度的变化。基本原理是由两个y 形波导构成的结构 中，在理想的情况下，输入光功率入射端平均分配到两个分支传输，在输出端干 涉，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。由于加在两个分支中的电场方 向相反，两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如在其中一个分支中引起 万2 的相位变化，那么在另外一共分支则引起一万2 的相位变化，因此两个分支 将引入相位石的变化。假定输入光功率在入射端平均分配到两个分支传输，其幅 度为彳，那么可以得到在输出端的光场为【3 l 】： e w o c c o s ( w t + , ) + a c o s ( w t 一矿) = 2 a c o s 咖c o s ( w t ) ( 2 1 3 ) 输出功率与联州成正比，也即联州8 c 0 8 2 矿。o s 2 ( w t ) ，由此可知当矿= 0 时 输出功率最大，当妒2 万，2 时两个分支中的光场相互抵消，使输出功率最小，在 理想的情况下为零。由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加 电场也控制着输出光的强度，它们并不构成线性关系。与实现对激光的相位调制。 从工作原理上看，m a c h - z e h n d e r 调制器采用干涉的方式，存在非线性失真 是其固有的特点。从现有的m a c h - z e h n d e r 调制器非线性分析手段看，由于调制 方式相对复杂，分析过程中必须假定小信号输入，最后的结果往往也要使用复杂 的级数求和的方式，这使得整个系统的设计非常复杂。本文针对所采用的系统， 在不需要精确解的前提下，利用所使用的调制器本身的频率响应曲线，计算出调 制器与系统其他部分的特性对整个系统的频率响应影响。理论计算结果与实验结 果的吻合程度表明这种计算方式的正确性。具体部分详见本文的第四章。 2 4 2 光电探测器 高速大容量光纤通信系统考察光电探测器是否适用的主要指标有灵敏度s 、 响应度r 、内量子效率，外量子效率仉暗电流、响应速度、3 d b 响应带宽五。、 响应波长范围、还有是否易于光电集成( o e i c ) ，工艺难度和成本等参考因素1 3 8 1 。 1 ) 光电检测的基本原理光吸收：例如入射光子的能量枷超过禁带 浙江大学硕士学位论文 能量乜，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生个电子空穴对， 发生受激吸收。在p n 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子一空 穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向n 区漂移，空穴和从负电极进 入的电子复合，电子则离开n 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流，。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。 光生电流与产生的电子空穴对和这些载流予运动的速度有关。也就是说直接 与入射光功率匕成正比，即，2 r p m 。式中r 是光电检测器响应度( 用4 形表 示) 。由此式可以得到： r ：生( 2 1 4 ) 圪 响应度r 可用梁子效率表示，其定义为产生的电子数与入射光子数之比， 即 疗：土旦：堡置( 2 1 5 ) 栌荔5 i 月 忆_ 式中g = 1 6 1 0 - 1 9 焦耳，是电子电荷，h - - 6 6 3 x 1 0 “焦耳秒，是普朗克常 数，v 是入射光频率。由此可以得到响应度： 五：塑：笪( 2 1 6 ) 式中五= c v 是入射光波长，用微米表示，2 r p 。 2 ) 探测器带宽( d e t e c t o rb a n d w i d t h l 在阶跃输入光功率条件下，光电 探测器的输出电流( ，) = “l e x p ( - t r ) i i ，f 表征探测器的惰性，当f o ) 上升至 稳态值屯的0 6 3 倍时的时间称为控测器的时间常数，即t = f 。探测器带宽厂由 时间常数f 来决定：f = 1 f 。 光电探测器在完成光电转换过程中，不仅给出表征被测对象的有用信号，同 时伴随着无用的噪声信号，如热噪声、暗电流噪声、散射噪声等。这些噪声信号 大大降低了探测器的探测性能和系统的信噪比，因此，分析噪声的性质和影响因 浙江大学硕士学位论文 素，从而采取有效的解决方法具有十分重要的意义。光电探测器存在许多内部噪 声，其中热噪声对探测能力影响最大。 本章小结 本章主要是r o f 系统的性能分析。首先确定了系统性能的主要参数，包括 链路增益g a i n ( d b ) ，系统噪声系数n f ( d b ) ，系统的频率响应( i 1 8 g h z ) ， 三阶互调失真i m d 3 ( r i b ) ，三阶截点i p 3 ( d b m ) ，无杂散动态范围s f d r ( d w h z 2 3 ) 等。然后根据上述系统性能，根据各个部分对性能的影响展开详细的讨论。具体 分析主要包括r o f 系统各个器件噪声激光器光相对强度噪声、光电转换散 弹噪声、光子噪声、光探测器后放大器的自发辐射噪声以及热噪声对系统性能的 影响：调制器非线性对系统性能的影响；探测器探测原理以及探测带宽等。 浙江大学硕士学位论文 第三章采用d f b 激光器的r o f 链路性能 实验分析 本章概述 本章主要根据第二章提到的内容具体分析了采用d f b 激光器在 m a c h z e h n d e r 干涉型电光调制器上进行外调制的特定r o f 系统的性能。这一章 前面部分主要是该系统控制及驱动电路系统的介绍，后面则重点分析该系统的实 验结果。实验表明该系统链路的噪声系数、三阶互调失真( m 3 ) 、无杂散动态范 围( s f d r ) 等性能参数可以达到指标要求，r f 在6 - - 1 8 g h z 范围上的频率响应 也比较平坦。但在1 1 8 g h z 的宽带范围上则有将近1 0 d b 的频响倾斜，该问题则 在第四章提出解决方案。 3 1 系统控制电路的实现 实验系统已经在上一章提到过，具体框图如图3 1 所示。控制系统的实现主 要包括激光器的驱动电路及其相关温控电路的实现，调制器的偏置电压的控制， p d 探测器的驱动电路设计。 3 1 1 电压控制电路的实现 调制器的偏压控制和p d 探测器的驱动电路功能相似，均可以提供所需稳定 的电压输出。其实现电路如图3 1 所示。 图3 1 电压驱动电路 浙江大学硕士学位论文 如上图所示，主要利用芯片l m 3 1 7 的变换电压及稳压功能实现调制器的偏 置电压以及p d 探测器的驱动电路的实现。输出电压的表达式为： = ( 1 + 争 ( 3 1 ) 其中圈3 1 所实现的电路中的= 1 2 5 v 实验结果表明上述电路可以实 现0 1 2 v 之间任意电压的稳定输出。 3 1 2 激光器控制电路的实现 激光器依据材料不同，可以分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。 半导体激光器具有体积小、耗电少、通过改变注入电流可方便地实现对信号地调 制、寿命长以及可靠性高等优点。目前光通信系统均采用半导体发光二极管和激 光二极管作为光源，此类光源具有尺寸小，与光纤耦合效率高，响应速度快，波 长和尺寸与光纤适配，可以在高速条件下直接调制等优点。 实验中所采用的d f b 激光器的中心波长为1 5 5 0 n t o 。在选定光源之后，光 发送机的工作性能则主要取决于发射电路设计的优劣了。一个优良的驱动电路应 该满足以下条件：1 ) 能够提供较大的、稳定的驱动电流；2 ) 有足够快的响应速 度，最好大于光源的驱动速度；3 ) 保证光源具有稳定的输出特性。在上述条件 下激光器的发射部分的设计一般都包括驱动电路设计、可靠性设计和保护电路的 设计【3 】。其中可靠性设计包括自动功率控制和自动温度控制。 设计自动温度控制是因为激光器输出光功率会随温度而发生变化。表现为 一方面是激光器的阂值电流随温度升高而增大，另外一方面是量子效率随温度升 高减小。温度升高时，阈值电流增大，量子效率减小，输出光功率明显下降，达 到一定温度时，激光器就不发射了。 自动功率控制则是因为随着激光器的工作时间增加，激光器自身的老化也 会导致阈值电流升高，