（电磁场与微波技术专业论文）rof系统中光外差法和光电探测器的研究.pdf

、一_ j 北京邮电大学硕士研究生学位论文 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 邋丑q 二二! 之 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：逸! 里二主型量 日期：盘丝：主! 壁 ， v 、 钐 ，- 、 ， 北京邮电大学硕：l 研究生学位论文声明 一 l 6 o 、 随着高速数据的业务的应用，现有的通信带宽已经不能满足人们 的需求。为了提高无线通信系统的容量并实现宽带通信，必须使用高 频传输频段。毫米波通信可提供大容量的通信带宽，但毫米波在大气 中衰减极大，无法实现长距离传输；另一方面，光纤通信信号传输质 量好，损耗低，但移动性差。将光纤通信和毫米波通信相结合的光纤 无线系统r a d i o o v e r - f i b e r ( r o f ) 技术可以很好的解决这个问题，r o f 系统具有光纤通信和毫米波通信的双重优点，可以实现大容量的无线 接入通信。在r o f 系统中，毫米波的产生是一项关键技术。目前用 于产生毫米波的技术很多，光外差法是其中一种比较有效的方法。除 此之外，器件对系统的性能也有很大的影响，在r o f 系统中，光电 探测器是接收端的重要的器件，决定着接收信号的噪声，功率等参数。 本文对光纤无线通信系统中光外差技术和光电探测器进行了研 究，论文的主要工作和成果如下： 1 研究了r o f 系统结构、关键技术、关键器件和性能参数，重点分 析了r o f 系统中的毫米波产生技术和光电探测器原理。 2 研究了毫米波产生技术中的光外差法，分析了已有的方法的技术 特点。针对光外差法中的相位噪声问题，将o c s ( 光载波抑制调 制) 用于光外差法中，对系统做了理论研究，分析了系统原理， 结果表明该系统能够消除光外差法中激光器频率不稳定带来的相 位噪声，并简化了系统结构。 3 提出将三频光外差法用于毫米波的产生，研究了此方法的原理和 系统结构，理论研究了系统的性能。根据原理结构图搭建了三频 光外差法实验系统，实验证明了理论的可行性。 4 分析了平衡探测理论，并将平衡探测和三频光外差法相结合，理 论分析了二者结合后的系统的性能，并验证了系统在信噪比上的 提高。 5 研究了r o f 系统中的关键器件光电探测器，对光电探测器原理、 北京邮电大学硕十研究生学位论文 摘要 器件的发展进行了分析，并着重研究了光电探测器中的非线性以 及大功率光电探测器。 关键词 光纤无线系统毫米波产生光外差法o c s 三频光外差法平衡探测 光电探测器 一 ， ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t s t u d yo no p tlc a lh e t e r o d y n em e t h o da n dp h o t o d e t e c t o r inr a dio - o v e r - fib e rs y s t e m s a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dd a t as e r v i c e ，t h eb a n d w i d t ho ft h e p r e s e n ts y s t e m sc a n ts a t i s f yt h ed e s i r eo ft h e s ea p p l i c a t i o n s i no r d e rt o i m p r o v et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n da c h i e v e w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n ，h i g hf r e q u e n c yt r a n s m i s s i o nb a n dh a st ob e a p p l i e d m i l l i m e t e r - w a v e c o m m u n i c a t i o nc a n p r o v i d eh i g hc a p a c i t y b a n d w i d t h ，h o w e v e r , t h ea t t e n u a t i o no fm i l l i m e t e r w a v ei na t m o s p h e r i c p r o p a g a t i o ni sh i g h ，a n ds ot h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei sl i m i t e d o nt h e o t h e rh a n d ，t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sh i g hq u a l i t yt r a n s m i s s i o n ，b u t t h em o b i l i t yi sn o tg o o d t h er a d i o o v e r - f i b e rs y s t e m sc o m b i n et h e s e t w os y s t e m st os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h er o fs y s t e m s c a nr e a l i z eh i g hc a p a c i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t ha d v a n t a g e so f b o t hs y s t e m s i nr o fs y s t e m s ，t h eg e n e r a t i o no fm i l l i m e t e r w a v ei sak e y t e c h n i q u e t h e r ea r em a n ym e t h o d st og e n e r a t et h em i l l i m e t e r - w a v ea n d o p t i c a lh e t e r o d y n em e t h o di sa ni m p o r t a n to n eo ft h e m b e s i d e st h ek e y t e c h n i q u e s ，t h ed e v i c e sp l a yas i g n i f i c a n tr o l ei ns y s t e mp e r f o r m a n c e p h o t o d e t e c t o ri sac r u c i a ld e v i c ei nt h eb a s es t a t i o no ft h er o fs y s t e m s ，i t a f f e c t st h en o i s ef i g u r ea n do t h e rp a r a m e t e r so ft h es i g n a l s t h i sm a s t e r st h e s i ss t u d i e do nt h eo p t i c a lh e t e r o d y n em e t h o da n d p h o t o d e t e c t o ri nr o fs y s t e m s ，t h em a i nj o ba n da c h i e v e m e n t sc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c h e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n i q u e s ，k e yd e v i c e sa n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o ft h er o fs y s t e m s a n a l y z e dt h e m i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o nt e c h n i q u ea n dp h o t o d e t e c t o rs p e c i f i c a l l y 2 s t u d i e dt h e o p t i c a lh e t e r o d y n e m e t h o do ft h em i l l i m e t e r w a v e g e n e r a t i o nm e t h o d s ，a n a l y z e d t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c u r r e n ts y s t e ms t r u c t u r e a p p l i e dt h eo c si n t ot h eo p t i c a lh e t e r o d y n e 3 4 5 m e t h o dt os o l v et h ep h a s en o i s ep r o b l e m ，r e s e a r c h e dt h es y s t e m p r i n c i p l ea n dt h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a ne l i m i n a t et h e p h a s en o i s ea r o u s e db yt h ef r e q u e n c yi n s t a b i l i t yo fl a s e r sa n ds i m p l e t h es y s t e ms t r u c t u r e ar o fs y s t e mt h a tu s e st h e t h r e e f r e q u e n c yo p t i c a lh e t e r o d y n e m e t h o dt o g e n e r a t em i l l i m e t e r - w a v e i ss t u d i e d r e s e a r c h e dt h e p r i n c i p l ea n dt h es y s t e ms t r u c t u r e a ne x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w h i c h d e m o n s t r a t e dt h et h e o r e t i c a lf e a s i b i l i t yo ft h et h r e e f r e q u e n c yo p t i c a l h e t e r o d y n e ，i sd e s i g n e d a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fb a l a n c ed e t e c t i o n ，c o m b i n e dt h et h r e e f r e q u e n c yo p t i c a lh e t e r o d y n em e t h o da n db a l a n c ed e t e c t i o n ，p r o v e dt h e i m p r o v e m e n to fs n rb ys i m u l a t i o n s t u d i e dt h ep h o t o d e t c t o r , a n a l y z e dt h ep r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n to ft h e p h o t o d e t e c t o r , a n dr e s e a r c h e dt h en o n l i n e a ro ft h ep h o t o d e t c t o ra n d h i g hp o w e rd e t e c t o rs p e c i f i c a l l y k e yw o r d s r a d i o 。o v e v f i b e r ，m i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o n ，o p t i c a lh e t e r o d y n em e t h o d ， o c s ，t h r e e f r e q u e n c yo p t i c a lh e t e r o d y n em e t h o d ，b a l a n c ed e t e c t i o n ， p h o t o d e t e c t o r v 、 ， 1 4 文章结构安排3 第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术。4 2 1 光纤无线系统4 2 1 1 系统结构4 2 1 2 关键技术6 2 1 3 关键器件6 2 1 4 性能参数。1 0 2 2 毫米波产生技术1 4 2 2 1 直接调制法1 4 2 2 2 外调制法。1 5 2 2 3 频率上变换法1 8 2 3 本章小结1 9 第三章光外差法产生毫米波2 0 3 1 光外差法原理。 3 2 光外差法的改进。 3 2 1 光注入锁定( 0 i l ) 相位技术2 2 3 2 2 反馈锁相技术2 3 3 2 3 前馈锁相技术。2 3 3 2 4 光注入锁相环法( o i p l l ) 2 5 3 3 光载波抑制改进光外差法2 6 3 3 1 系统结构和原理2 6 3 3 2 仿真结果2 7 3 4 才章，j 、坌占2 第四章三频光外差法产生毫米波3 0 4 1 三频光外差法3 0 4 1 。1 三频外差检测原理3 0 4 1 2 三频光外差法产生毫米波。3 1 4 1 3 系统仿真和结果：；：1 4 131 系统结构3 2 4 1 3 2 仿真结果3 3 4 1 4 实验研究 v 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 z 平衡探测3 7 4 2 1 平衡探测原理 4 2 2 结合平衡探测的三频光外差法 3 7 i 3 本章小结。4 0 第五章r o f 系统中光电探测器的研究。4 1 s 1 光电探测器基本原理 s 2 光电探测器中的非线性效应4 6 5 2 1 非线性原理分析。4 6 5 2 2p i n 光电探测器中的非线性4 9 5 2 3r c e 光电探测器中的非线性 s 3 大功率光电探测器5 2 5 4 本章小结5 4 参考文献。5 4 j 【谢5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 9 v i i i 、 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 蜂窝移动通信系统是当前移动通信的主要组成部分，它采用蜂窝结构，频率 可重复利用，实现大区域覆盖。近二十年无线通信技术以前所未有的速度发展， 目前已经到达第三代移动通信3 g ，4 g 、5 g 也将会逐渐登上舞台。但随着信息 技术的高速发展，无线通信网络的业务量急剧增长，对信号的传输速率、带宽和 质量提出了更高的要求，通信网的覆盖范围不断增加。传统的低频段的传输已经 不能满足实际的需要，需要探索高频波段的实际应用【1 1 。 毫米波通信是目前研究的热点，其具有很多低频段电磁波不具有的特性1 2 1 。 主要有包括以下几点：频率高。毫米波的频率为3 0 g h z - 3 0 0 g h z 之间，频率极 高。带宽大。毫米波带宽可达2 7 0 g h z ，频率资源非常丰富，在目前频率资源 及其紧张的情况下，可以满足高速数据业务的要求。毫米波信号受环境影响大。 毫米波在大气传播过程中衰减严重，因此传输距离有限，这就要求在网络中将一 个基站的覆盖范围取的很小，称为微蜂窝。 光纤通信的通信容量大、传输距离远，一根光纤的潜在带宽可达2 0 t h z 。光 纤的损耗极低，在光波长为1 5 5l x m 附近，石英光纤损耗可低于0 2 d b k m ，这比 目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。 此外，光纤通信中信号串扰小、保密性能好、抗电磁干扰、传输质量佳、难于窃 听等优点1 3 j 。但是光纤的移动性较差，不能满足随时随地的通信要求。 1 9 9 0 年，c o o p e r 提出将光纤无线系统( r a d i o o v e r - f i b e r ) 应用于无线通信1 4 j ， 光纤通信系统把光纤通信和毫米波通信相结合，通过光纤将信号从中心站传输到 基站，基站接收后再通过天线发射出去，到达用户终端。r o f 系统充分利用光纤 通信的高质大容量传输，并结合了毫米波通信的高频无线接入。r o f 系统是宽带 通信到用户的最后一步接入系统，它能向大量用户提供无线局域网，宽带接入和 移动多媒体业务。作为下一代高速移动通信的候选方案之一，r o f 具有通信容量 大便携通信安全性高等诸多优点，具有非常广阔的应用前景。 r o f 技术采用低损耗、大带宽的光纤链路来连接c s 和b s 。因为光纤具有较 小的损耗，该技术可以实现毫米波的低损耗传输，而不必采用再生中继设备，降 低了系统的成本。低损耗可以减小传输功率，同时增大了传输距离。光纤的三个 低损耗窗口提供了高达5 0 t h z 的带宽，再结合d w d m 技术可以使光纤的传输容量 利用率大为增加。同时光纤具有良好的抗电磁干扰特性，基本不产生电磁辐射环 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 境，这使得r o f 系统的抗电子干扰特性好，是无线通信的一个优势。r o f 系统 采用微蜂窝技术，具有动态容量分配功能，多业务操作能力、透明性等优势可 实现信号格式的透明化，同时传输多路不同频率的信号，实现多操作平台。r o f 系统的天线的模式为分布式结构，加强了天线布置的延伸性和灵活性，可以有效 均匀化下行发送功率并缩短移动终端到天线的距离，从而减小发送功率，此时系 统可以采用大量成本低、体积小、射频功率小的远程天线单元提供大范围的视线 内通信，加大覆盖范围，提高频谱利用效率和系统容量，并且由于一个中心站可 以负责多个基站，所以在中心站中可以对每个基站的信道进行动态分配，系统部 署由此变得简单而且容易进行集中升级。同时，系统层次结构并没有变化，所以 r o f 可以很好地接入各个标准、各个频段的蜂窝移动通信网络，给用户提供更大 的带宽，从而实现光纤和无线网络的无缝融合。 1 2 研究现状 目前r o f 系统的研究重点集中在毫米波的产生，光载无线信号在光纤中传输 性能分析，r o f 链路及网络，r o f 技术的应用以及r o f 系统中器件等方向。对 于微波、毫米波信号的产生，目前主要的方法有直接调制法，外调制法，光外差 法和频率上转换法。这些方法各有优缺点，要根据系统的要求和具体情况进行选 择。在器件方面，激光器、光调制器和光电探测器构成r o f 系统的主要器件， 目前的研究主要集中在激光器和光调制器上。 1 3 选题意义 宽带接入给人们的生活带来了无限惊喜和多样色彩，面对人们对大量的高质 量业务的需求，接入网的发展必须与时具进。在多种接入技术并存的条件下，如 何利用已经存在并成熟的技术进行网络的宽带升级，成为通信领域的研究热点。 光纤无线的融合将成为接入网的必然发展趋势，光载无线系统也将在融合接入网 络中发挥极其重要的作用 在光纤无线系统中，毫米波的产生是一项关键技术，它直接影响到系统的结 构复杂度、成本、传输质量、接收信号的性能等。因此，研究一种简单易行，高 效高质的微波、毫米波产生技术对于光纤无线系统的发展是非常重要的。对于 r o f 系统中重要器件光电探测器，目前的研究相对于较少，本文针对光电探测器 的非线性，大功率光探测器作了重点分析。 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 4 文章结构安排 本文主要围绕r o f 系统中的毫米波产生技术和关键器件光电探测器展开理 论和实验研究，尤其关注于光外差法的原理以及光电探测器中的非线性和大功率 探测。论文的安排如下： 在第二章中，首先介绍了r o f 系统的结构与分类、系统中的关键技术、关 键器件以及系统性能参数。针对系统的毫米波产生技术，总结了不同方法的原理 和优劣。 在第三章中，主要讨论了光外差法的原理以及针对光外差法缺陷的改进技 术。文章首节首先分析了光外差法的原理，然后介绍了四种改进的光外差法，对 四种方法分别进行了理论分析，最后提出一种改进的光外差法，将o c s ( 光载 波抑制调制) 和光外差法结合，并仿真了系统性能。 在第四章中，提出将三频光外差法用于毫米波的产生，进行了理论与实验的 研究。文章首节首先介绍了三频光外差法的理论原型，接着分析了三频光外差法 产生毫米波的原理，并仿真了系统的性能，最后对三频光外差法进行了实验研究， 验证理论的正确性和可行性。第二节介绍了平衡探测技术，将平衡探测技术和三 频光外差法相结合，验证了系统在噪声指数上的提高。 在第五章中，研究了r o f 系统中的重要器件光电探测器。文章首节介绍了 光电探测器的原理。在第二节中讨论了光电探测器中的非线性原理，并重点讨论 了p i n 光电探测器和r c e 光电探测器中的非线性。最后针对目前系统的发展趋 势，总结分析了大功率光电探测器的发展。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 2 1 光纤无线系统 2 1 1 系统结构 r o f 系统的结构如图2 1 所示，系统主要包括中心站( c e n t r a ls t a t i o n ) ， 基站( b a s es t a t i o n ) 以及连接中心站和基站的光纤链路。毫米波信号通过光纤链 路在中心站和基站之间传输。链路包括：上行链路( u p l i n k ：基站至中心站) 和下 行链路( d o w n l i n k ：中心站至基站) 。中心站和基站通过一根或多根光纤连接，分 别传输上行链路信号和下行链路信号。基站接收从中心站发送的信号，并通过天 线将信号发送到移动用户中心站接收来自多个基站的信号并进行处理。 c e n t r a l s t a t i o n b a s e s t a t i o n o b 獬 s t a t i o n 图2 - 1 光纤无线系统结构 在r o f 系统中，为了有别于光载波，毫米波常被称作副载波，需要传送的 信息可被认为无论是在有线传输阶段还是无线传输阶段，都是加载在这个副载波 上的。在无线传输阶段，载有信息的副载波对应一定的无线信道在自由空间中传 输；而在有线传输阶段，这个副载波被加载在了光波上，按照加载上光波上的信 号是否是有效信号本身以及所使用副载波的频段，r o f 系统方案可以分为b b o v e rf i b e r ，i fo v e rf i b e r ，r fo v e rf i b e r 三种不同的结构1 5 】： 基带信号光传输 4 聱嘲) 当一 佘迫 广 帆j r籴 鼬3 l n 一 术 ( a ) 中频信号光传输 射频信号光传输 c e n t r a ls t a t i o nb a s es 雠i o a ( c ) 图2r o f 系统三种不同结构 ( a ) 基带信号光传输( b ) 中频信号光传输( c ) 射频信号光传输 在三种结构中，基带信号光传输系统中基站结构最复杂，下行链路中需要将 基带信号上变频到射频频段上，同时将上行链路中接收的射频信号下变频到基带 信号并调制到光波上，但由于传输信号的频率低，光纤的色散可以忽略；中频信 号光传输系统中基站需要中频和射频信号的相互转换模块以实现上下行链路信 号频率的上下转换；光纤的色散一般不引起严重问题；射频信号光传输系统只 需要一个高频的光调制器将r f 信号调制到光载波上，一个高频的光电探测器从 光载射频信号中解调出射频信号，基站设备最简单，主要负责光电转换，信号放 大：但此时光纤的色散影响较大，需要采用其它技术降低色散对信号的影响。 5 一日母 一：；l，一llli!， 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 2 1 2 关键技术 r o f 系统涉及到多种技术，主要包括以下几个方面： ( d r o f 系统发射端中心站：主要包括光载毫米波的产生和信号的调制1 6 1 。目前毫 米波产生的方法主要有直接调制法、外调制法、光外差法、频率上变换法等。 ( 萤r o f 系统接收端基站：接收端需要从接收到的光载毫米波信号中恢复高频的毫 米波电信号( 即光电转换尸1 这里通过高速的光电探测器来实现，产生的光电流 与光强成正比，即与光场强平方成正比( 平方律光电探测器) 。设光波的场e ( t ) ， 产生的光电流为： i ( t ) 一l e ( t ) 1 2 ( 2 1 ) 犀为光电探测器灵敏度。 光纤传输：光载毫米波信号在光纤中传输时，由于光纤存在损耗，信号在传输 过程中会产生幅度衰落。光纤的色散和非线性效应会使毫米波信号中不同频率成 分光脉冲的走离，从而产生信号失真。因此，如何降低光纤的色散等对毫米波信 号的影响【8 j ，也是r o f 系统中一项关键的技术。 w d m 技术：光纤在1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 n m 波段的可用带宽超过l o o n m 。6 0 g h z 的 双边带光载毫米的带宽也只有1 r i m 左右，单边带调制的光载毫米带宽只有0 5 r i m 左右；而所以用一根光纤传输一路r o f 信号显然是很不经济的。w d m 技术是相 对比较成熟的技术，w d m 技术在r o f 系统中的应用也是目前研究的关键技术之一 1 9 】。目前w d m r o f 的主要方法有两个，一是将不同频率的毫米波信号复用起来 调制在光波上，实现射频信号在电域的频分复用。二是利用w d m 技术将多路不 同波长的r o f 信号复用在一起 2 1 3 关键器件 光电子器件理论和制造工艺的进步推动了光通信的快速发展，器件的发展成 为制约系统发展的重要因素i 渺1 1 j 。光纤无线系统要求射频信号在传输过程中有高 的链路增益、宽的传输带宽、大的无杂散动态范围和低的噪声指数。而这些参数 直接与系统中的光源、光调制器和光电探测器有关。例如，激光器和光调制器的 非线性会导致信号的非线性失真，限制输入信号的动态范围；光调制器的低调制 效率和光电探测器的低响应度也会降低链路增益。下面分别对几个光纤无线系统 中的关键器件作介绍。 1 半导体激光器 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 光纤无线系统中需要传输的信号最后是加载在光载波上的，因此，激光器输 出激光性能优劣对系统有很大的影响。信号可通过直接调制或外调制加载到光载 波上。直接调制结构简单，但调制带宽受限，只适用于低速系统，并要求激光器 有较高的斜率效率和较低的噪声及非线性。外调制性能较好，并同时和光调制器 的性能相关。 目前在光纤无线系统中主要采用的是半导体激光器。在r o f 系统中，- 半导 体激光器不仅可以作为激射相干光载波的光源，而且可以作为外差光源来产生毫 米波信号。r o f 系统对半导体激光器的增益、噪声和非线性特性有着严格的要求。 半导体激光器在注入恒定电流的情况下，半导体激光器有源区会持续发生光 子的受激辐射，在谐振腔的作用下使光强不断得到反馈放大并同时透射部分光 强，当达到稳定谐振时，激光器就产生激光。 r o f 系统中使用的是模拟光调制，其中激光器的差分增益d g d n 是个关键系 数，光载波上的射频信号的传输要求链路具有较高的增益，于是提高d g d n 尤为 重要。在光波长a 和工作温度t 一定的情况下，光增益表示为下式2 - 2 ： g ( ，s ) _ 羔i ni 糟l ( 2 - 2 ， 式中，f ( 约为1 0 - “c m 3 ) 为增益抑制因子；g o 为小信号增益系数；虬和l 。 分别为透明载流子密度和引起自发辐射的载流子密度；s 为光子密度。 激光器输出功率和注入电流的关系为： 等： p 0 。，7 5 ( ，一厶) 。，7 i _ _ 竺塑一h v ( ，一厶) ( 2 3 ) q + 口_ g 其中r 为输出功率，为注入电流，l 为阈值电流，仇为激光器的外微分 量子效率，即斜率效率，绝为内量子效率，嚷和口。分别为内部光子损耗和输出 光子损耗。对于r o f 系统使用的激光器，需要低的阈值电流和高的斜率效率 目前仍需要技术的改进来不断获得高的斜率效率。 由于半导体激光器是靠电流注入激励的利用电子和光子之间能量转换的器 件，因此具有对信号直接调制的能力。而且高速调制对器件的动态性能提出了严 格的要求，如窄的光谱线宽、保持好的动态单纵模工作特性、对输出电信号无调 制畸变。小的延迟时间、不产生自持脉冲等。在r o f 系统中经常使用直接调制 方式降低系统成本，因此对于高频模拟信号的调制，激光器的动态性能必须满足 严格的要求。激光器的动态特性对于r o f 系统的影响主要包括以下几个方面： 激光器在时间t 内载流子浓度达到激射阈值， ，此时间t 称为开关延迟， r o f 系统的射频载波频率很高，尤其是毫米波段达到6 0 g h z 甚至1 2 0 g h z ，对激 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 光器的延迟时间有更高的要求，否则无法实现高速的调制。这里可以通过提高激 光器的工作电流、设置合理的偏置电流及优化激光器的结构和材料来缩短载流子 的寿命，减小激光器的开关延迟时间。 在电子数和光子数达到稳定值之前都会出现振荡现象，其振荡频率处在 g h z 范围，这种振荡称为驰豫振荡。驰豫振荡的角频率满足关系式： 哆一高c 纠“2 协4 ) q 为驰豫振荡角频率，f 。为光子的有效寿命，l 为电子自发辐射复合寿命。当 调制频率接近她时，驰豫振荡影响明显，强度调制状态就会发生畸变，这决定 了r o f 系统中模拟调制的上限频率。因此，要实现r o f 系统中高频模拟强度调 制，必须设法提高激光器的驰豫振荡频率。驰豫振荡频率与光子寿命f 。和激光 器的结构有关，因此可以从激光器结构上进行优化，如折射率导引激光器、量子 阱激光器等；另外，驰豫振荡频率也与激光器的工作电路有关，高的工作电流和 偏置电流有助于提高驰豫振荡频率。 在激光产生过程中，自发辐射是伴随着受激辐射同时进行的，其中自发辐 射是随机的，这会导致光的产生也具有随机性，从而产生结构脉冲的时间抖动 ( j i t t e r ) ，并且建立在自发辐射基础上的光脉冲的前沿也是随机的。在r o f 系 统中，激光脉冲的时间抖动会引起强度噪声及相位噪声，特别是对于高频信号， 这种噪声的影响会严重。所以，在高频模拟调制中，必须减小时间抖动。 某些激光器在某些注入电流下，输出光会出现持续脉动现象，脉动频率大 约在几百兆赫兹到2 g 赫兹之间，这种现象被称为自脉动线性。自脉动现象作为 一种高频干扰严重威胁着激光器的高速脉冲调制的性能，因此，在高速调制中必 须注意并减小它带来的信号干扰。 2 光调制器 光调制器在光载无线系统中起着关键作用，特别是对于光载毫米波系统，由 于固有的频率啁啾限制，内调制方式已经不能满足系统要求，需要光调制器实现 外调制。光调制技术按其实现方式可分为强度调制、相位调制和频率调制。由于 光电探测器的输出电信号直接与入射光强相关，而相位调制和频率调制必须采用 外差接收机来解调，在技术上实现比较困难，所以目前光通信中普遍采用的是光 强度调制，尤其是在r o f 系统中，需要实现信号的模拟调制，对光强度调制器 的研究尤为重要。 在目前的用于众多模拟光链路的调制器中，铌酸锂马赫曾德尔调制器 ( m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r ) 最为常用该调制器已经被研究3 0 年，并广泛应用 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 于商业领域。它是基于电光效应的光调制器，当外加电场作用到l i n b 0 3 晶体上 时，由于非线性电极化效应，晶体的折射率发射变化，输出光相位变化，从而产 生强度。 在r o f 系统中，由于射频信号是通过模拟光强度调制到光载波上的，所以 光调制器的线性度是一项很重要的指标。普通的m z 调制器的转移特性曲线为余 弦曲线，存在很大的非线性问题，当输入两个频率相近的信号六和厶，由于调 制非线性，输出信号会包含多个频率成分，其中包含2 五一疋、2 元一无频率项， 由于这两个信号频率十分接近，很难由滤波器滤出，因此会给系统带来交调失真。 早期的用来提高m z 调制器线性度的技术有预失真、双信号调制、双偏振调 制、m z 调制器级联和基于定向耦合器的调制技术。近几年，基于微环谐振腔的 m z 调制器被广泛研究，该结构运用光学补偿的方法，可以使传递函数三次项为 零，从而提高了调制器的线性度。 3 光电探测器 在r o f 系统的所有光电器件中，光电探测器是离发射天线最近的器件，其 性能直接影响到发送信号的质量。以往探测器的发展都关注响应度、响应速率等 在数字光纤通信中十分重要的指标。在模拟链路中，高的响应光功率和大的线性 动态范围对于提高系统的增益及降低噪声是十分有利的。 光电探测的基本机制是光吸收，在半导体材料上，当入射光子能量厅，超过 带隙能量时，半导体每吸收一个光子就产生一个电子一空穴对。在外加电压建立 的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，形成光电流。常 见的光电探测器有p i n 光电二极管，雪崩光电二极管( a p d ) 。但是与p i n 相比， a p d 有更高的噪声及非线性，严重限制了系统的性能，因此，在r o f 系统中， 目前主要使用的是高速p i n 光电二极管。 在r o f 系统中，光电探测器不仅起到检测信号的作用，还可以用来产生微 波。光电探测器的性能对r o f 系统的影响主要表现在： 光电探测器的噪声主要包括：p i n 光电二极管内部噪声、电阻的热噪声、 放大器内部噪声和电容器引起的噪声。其中p i n 光电二极管内部噪声又包括量 子噪声( 散粒噪声) 、暗电流噪声及内阻热噪声。这些噪声系数是r o f 系统中的 重要性能参数，在探测器机构设计和材料选取时，要充分考虑到噪声系数，减小 噪声给系统带来的动态范围及信噪比恶化等影响。 除激光器和光调制器，光电探测器中也存在非线性响应的问题，特别是在 高输入光功率的情况下，其非线性更加严重，给系统带来严重的信号畸变。光电 探测器中的非线性产生原因很复杂，不仅由载流子的饱和效应引起，而且与载流 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 子的扩散、复合和散射、非零负载阻抗、高掺杂非耗尽区及空间电荷引起的载流 子速度变化等因素相关。随着高功率探测器的出现以及测量技术的发展，光电探 测器的非线性受到更多的关注 随着光通信的发展，高饱和功率探测器成为研究的重点在r o f 系统中， 要求光电探测器有较高的保真度和较大的动态范围，这样可以使噪声最小，还能 够大大降低插入损耗，高饱和功率探测器能够允许光源发射更大功率的光载波， 从而在接收端转化为大的光电流，可提高整个链路的固有增益，并且可以在基站 省去电放大器、减小噪声以及降低基站成本。目前已经报道的很多器件都可以减 小耗尽区空间电荷效应的影响，产生大的输出电流，达到大功率的目的，如部分 耗尽吸收区光电探测器( p d a p d ) 、单传输载流子光电探测器( u t c p d ) 和波 导型光电探测器( w g p d ) 。这三种是最具潜力的高饱和功率探测器，该类探测 器应用于r o f 系统基站中，精简了系统结构，使探测器和天线的集成成为可能， 更为集成基站的最终研制打下了基础。 2 1 4 性能参数 从微波信号传输的角度看，r o f 光纤链路可以看作一个简单的跨导，描述其 基本特性的参数有插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 和噪声指数( n o i s ef i g u r e ) 。对通 信系统的发射端来说，插入损耗是非常重要的；而对接收端来说，噪声指数是非 常重要的。此外，器件的非线性会对系统性能参数造成很大影响，因此动态范围 也是一项重要的性能参数f l l l 。 1 插入损耗 r o f 传输链路模型如图2 3 所示： e g h1 2 随 m i c r o w a v e t r a n s d u c t e r 图2 - 3i t o f 传输链路模型 e a 为微波信号电压源，z g 是电信号源阻抗，z l 为负载阻抗。 当信号源阻抗匹配时，即z g = z g ，信号源有最大输出功率： 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 p ；鲢 ( 2 - 5 ) 罡。1 , 2 2 1 2 吃 ( 2 6 ) 其中和为电源阻抗负载阻抗的实部 嚏昌锵 协7 ， 兄 蚓2r “j 卜砑h f e x p ( 2 8 ) i i 一量 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光纤无线系统及其毫米波产生技术 图2 - 4 功率谱密度和缈关系图 散粒噪声 散粒噪声( s h o tn o i s e ) 是一种量子噪声，当电流通过载流子独立、随机的运 动而形成时，一种类似于噪声的电流也随之产生，即散粒噪声。在r o f 系统链 路中，光电探测器会产生散粒噪声，功率谱密度为： ，：一2 e ( d + 缸归 ( 2 9 ) p 为电子电荷，i d 是光电探测器的平均光电流，z d k 是光电探测器的暗电流，曰为 等效噪声带宽。 相对强度噪声 相对强度噪声( r i n ) 是指由于光子自发或受激随机辐射等造成的激光器 输出功率的随机抖动。r i n 表示为： r i n 1 0 l g ( 燮) ( 2 1 0 ) 2 其中， 是光源输出光电流平均值，f 是相对强度噪声的平均电 流强度。 噪声指数定义为输出信噪比和输入信噪比之商，表征输出端信噪较输入端的 恶化程度： 胛罨! 丝_( 2 1 1 ) s 弧| nh 和o 叫又可表示为： 北京邮电大学硕士研究生