外调微波光子收发链路研究

时间：2024-05-04

孙雷许向前张恒晨李宇邢星

（中国电子科技集团公司第十三研究所河北省石家庄市 050051）

近年来，微波光子学的快速发展和进步，使得微波光子链路受到广泛的关注和研究。微波光子链路是具有接收、传输、发射微波信号等功能的光电链路，具有宽带、低损耗、轻质、小尺寸、抗电磁干扰等关键优势，被广泛应用到雷达、卫星通信、机载传输等领域。可以实现包括宽带信号传输、本振分发、真时延、合波与分束等光域操纵，是光控相控阵雷达、分布式雷达的核心器件。在雷达系统和天线移动网络中，对微波光链路提出低噪声、高动态范围的需求。凭借技术以及器件水平的遥遥领先，国外诸多实验室和公司已经做出增益很高、噪声系数很低、动态范围很大的高性能微波光子链路[1]-[2]。

相比直调激光器，采用大功率、低RIN噪声的外调光源能够获得更高的调制效率和信噪比。尤其是光源功率较高时，外调链路的性能优势更明显。本文通过搭建外强度调制直接探测微波光链路，对其关键参数增益、噪声系数、动态范围进行测试，与理论值进行对比分析，设计了外调微波光链路指标预估可视化软件，提高微波光链路设计效率。

1 微波光链路性能评价参数

外强度调制—直接探测光链路由三个核心器件组成，分别是光源（LD）、马赫-曾德尔强度调制器（MZM）和光探测器（PD）。RF输入信号经MZM调制到光载波上，经光纤传输后输入到PD进行解调输出，其原理框图如图1所示。

评价微波光链路的性能参数主要有链路增益、噪声系数和动态范围。在一些文献中多采用外调链路的小信号模型进行分析[3]，本文根据选用器件的原理图，建立小信号模型如图2所示。

1.1 增益

假设调制器与射频源完全匹配，则调制器两端的交流电压：

假设调制器为理想调制器，两支路完全对称，当外加电压为v时，引起的相位差：

其中，v=VDC+vm，VDC为直流偏置电压。

根据调制器的传输特性，调制器的输出光功率为：

TFF为链路固有光损耗，PI为光源的输出光功率。

当VDC=Vπ/2，调制器工作在Q点，此时链路工作在线性区，由于vm VDC，调制信号的光输出功率：

则探测器的光电流：

其中，ηD为探测器的光响应度。当探测器内部的匹配电阻Rdm与负载阻抗Rload匹配良好时，则负载输出功率为：

则链路增益：

其增益G可简化为：

图1：外强度调制—直接探测光链路原理框图

图2：外调链路的小信号模型

图3：微波光链路测试框图

图4：DFB激光器RIN测试曲线

图5：可视化微波光链路预估软件

图6：光链路增益实测值与理论值对比曲线

图7：光链路噪声系数实测值与理论值对比曲线

1.2 噪声系数

链路噪声系数（NF）主要是为了描述信号在经微波传输链路后信噪比的恶化程度。定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。与信号的带宽无关，只于链路内部的噪声有关。外调链路的噪声主要由激光器相对强度噪声、探测器散粒噪声以及热噪声组成。噪声系数的计算公式可参考下式[4]：

1.3 无杂散动态范围

无杂散动态范围（SFDR）用于描述由非线性效应所产生的我们不希望出现的频率分量，是针对双频信号来定义的。可定义为这样一个系统输入（或输出）的信号功率范围：在这个范围内系统输出的基频功率处于底噪之上，而同时系统输出的所有杂散信号功率都恰好低于或等于系统的底噪[5]。对于一条理想的外强度调制直接探测链路，受MZM的正弦传输特性影响，其SFDR受限于链路的三阶非线性[6]。1Hz带宽的无杂散动态范围表达式如下：

图8：无杂散动态范围实测值与理论值对比曲线

对于一个标准的MZM，IIP3是MZM半波电压的函数，它不受调制器偏置角度的影响，因为偏置点的漂移对基频和三阶交调的影响是一样的。

由于MZM半波电压随频率升高而升高，噪声系数和IIP3均随频率升高而增大，这两种机制的共同作用，使得SFDR随频率变化不大。

很明显，链路性能的提升高度依赖于器件性能的提升。高功率，低RIN光源，合适的半波电压MZM，高响应度、高饱和功率光电二极管均有利于外调链路直接探测链路的性能提升。

2 外调微波光链路搭建

本文搭建了外调微波光链路测试框图如图3，对增益、噪声系数，无杂散动态范围进行测试。接下来对核心器件的选用进行简要介绍。

2.1 光源

结合现有器件水平，光源采用大功率、低噪声DFB激光器，设计了自动温度控制（ATC）、自动功率控制（APC）驱动电路。图4中曲线Tr2、Tr3、Tr1的驱动电流分别为140mA、160mA、和180mA，光功率逐渐增大，相应的RIN值最高点会略有下降。当驱动电流为180mA时，光源的输出功率为50mW，RIN的测试曲线如图4的Tr1所示，其RIN=-157.3dB/Hz@18GHz，最大RIN值在10GHz附近，约为-154.3dB/Hz。

2.2 电光调制器

外调链路选用LiNO3马赫-曾德尔强度调制器，其传输函数与调制器的偏置点和频率有关，可表示为：

αh和Lh分别为调制器输入和微波光场交互点间传输线的衰减系数和衰减长度，α和L为微波-光场交互区的衰减和长度。Vπ（DC）为直流半波电压，与L成反比。由于射频匹配，调制器半波电压随频率的升高而升高。

外调链路的增益与S2mzi成正比，当φ=0时，调制器工作在正交偏置点，链路增益最大。

本文设计了自动偏置点控制电路（MBC），通过PID控制，将调制器设置在正交偏置点工作。不同频点的半波电压如下：

2.3 光探测器

在高增益、低噪声链路中，光探测器的两个关键指标是响应度和饱和光功率，高响应度和高输入光功率，可以提升探测器的光电流，从而提升链路增益等指标。其中响应度和频率有关，可表示如下：

rd（DC）为直流响应度，Rl、Rd分别为探测器的负载电阻和串联接触电阻。从公式中可以看出探测器的带宽受器件电容Cd限制。

本文选用探测器工作在线性工作区，实际测试时发现在20GHz频带内，其光电流变化不大，故其响应度变化不大，约为0.85A/W，饱和光功率为10dBm。

3 测试结果

选用上述参数器件搭建了外调微波光链路，理论值通过可视化微波光链路预估软件计算，如图5所示。

测试光探测器电流不同时，得到光链路增益实测值与理论值对比曲线如图6所示，噪声系数实测值与理论值对比曲线如图7所示，探测器光电流为5mA时，三阶无杂散动态范围的理论值与实测值对比曲线如图8所示。可以看出增益、噪声系数、无杂散动态范围的实测结果和理论结果拟合较好，差异主要是由于阻抗匹配，光纤损耗，半波电压测试误差等引起，其中10GHz附近的噪声系数增大主要受光源RIN峰值的影响。当采用同一激光器、调制器，探测器的光电流增大，有利于链路增益和噪声系数的提升。