光通信鏈路模型分析與調(diào)制器偏置點(diǎn)修正

楊志高, 陳福深

(電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610054)

光通信鏈路模型分析與調(diào)制器偏置點(diǎn)修正

楊志高, 陳福深

(電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610054)

Mach-Zehnder調(diào)制器的偏置相位在光通信鏈路中起到的作用很大,文章在分析 RoF鏈路模型的基礎(chǔ)上,提出了一種平衡光通信鏈路的增益和噪聲系數(shù)的光通信鏈路中調(diào)制器偏置點(diǎn)的控制方法。在次倍頻程系統(tǒng)中,必須在鏈路的增益和噪聲系數(shù)之間折中來(lái)提高鏈路性能。經(jīng)分析模型可知射頻增益開始隨著偏置電壓的遞增而遞增,當(dāng)射頻增益達(dá)到最大值之后,增益則隨著偏置電壓的增加而遞減,而噪聲系數(shù)的性能恰恰與它相反。因此,給出了一種優(yōu)化表達(dá)式來(lái)綜合考慮增益、噪聲系數(shù)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。仿真結(jié)果表明最佳偏置點(diǎn)可以根據(jù)給出的優(yōu)化表達(dá)式分析計(jì)算得到。

調(diào)制器;偏置;光通信鏈路;射頻增益

光通信中的 ROF技術(shù)能夠利用光纖通信寬帶寬、低傳輸損耗等優(yōu)點(diǎn) (伍浩成等,2010)被用于各種領(lǐng)域,例如有線電視信號(hào)的傳輸和遠(yuǎn)端天線信號(hào)。遠(yuǎn)端天線的光纖連接常常采用向馬赫 -曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器,這種調(diào)制器本質(zhì)上存在一定非線性。因此,幅度較小的調(diào)制信號(hào)和光學(xué)調(diào)制深度較小的信號(hào)可以用這種調(diào)制器來(lái)調(diào)制,這樣才能控制此調(diào)制器輸出信功率號(hào)達(dá)到最小。Bulmer等(1984)研究了外調(diào)制器鏈路的互調(diào)失真和 SFDR,但是沒(méi)有預(yù)測(cè)由于調(diào)制器的偏置電壓的偏離線性點(diǎn)時(shí)的優(yōu)越性能。增益、噪聲系數(shù)以及 SFDR是許多鏈路參數(shù)的函數(shù)其中就包括了調(diào)制器的偏置相位 (Ackerman et al.,1993)?？偨Y(jié)出了在光功率不高的情況下,最佳偏置為線性工作點(diǎn),此時(shí)的鏈路增益最大。但是在窄帶高光功率鏈路中,將調(diào)制器的偏置點(diǎn)向最低傳輸功率點(diǎn)移動(dòng)可以增加系統(tǒng)的SFDR(Farwell et al.,1993;Nichols et al.,1997)。低偏置的調(diào)制器可以被運(yùn)用于下變頻系統(tǒng) (Howerton et al.,1996)中,這樣可以減小變頻損耗。在這種低偏置鏈路中,因?yàn)榈推煤蟮恼{(diào)制器插入損耗比較高,光功率的有效利用是顯得很重要的。在WDM系統(tǒng)中,為了較少鏈路的成本,多個(gè)信道可以共用一個(gè)摻鉺光纖放大器 (EDFA)。然而,實(shí)際使用的摻鉺光纖放大器 (EDFA)的增益與輸入光功率有關(guān),這樣它就會(huì)隨著調(diào)制器的偏置變化而變化。筆者研究的正是在窄帶 ROF鏈路中摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作狀態(tài)和調(diào)制器偏置點(diǎn)之間的關(guān)系。從理論上分析鏈路的射頻增益、鏈路的噪聲系數(shù)以及鏈路的 SFDR與外調(diào)制器的線性偏置工作點(diǎn)的關(guān)系,分析得到鏈路的增益可以通過(guò)降低調(diào)制器的偏置點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

1 ROF鏈路模型分析

圖 1為 RoF光通信鏈路的示意圖,它包含了一個(gè)DFB激光器,激光器出來(lái)的光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振控制器之后光強(qiáng)度受到馬赫-曾德爾調(diào)制器的調(diào)制,然后經(jīng) EDFA放大,使用衰減器來(lái)控制飽和光功率,這樣使增益曲線不受探測(cè)器的非線性效應(yīng)的影響?？偟逆溌吩诜糯蠛蟮乃p包括光纖損耗設(shè)置為 20 dB。探測(cè)到的 RF射頻功率可以通過(guò)射頻頻譜儀得到。調(diào)制信號(hào)的中心頻率是 f0=5 GHz,這是 802.11 a/g協(xié)議下的 ROF鏈路的載波頻率。

圖 1 RoF鏈路原理圖Fig.1 Schematic fo r the RO F link

1.1 增益

鏈路的光電流可以寫成如下所式:

式中 G0,ss是 EDFA的小信號(hào)增益,Po,MZM是從MZ調(diào)制器輸出到 EDFA內(nèi)的光功率,Po,max是 EDFA的最大輸出光功率,γ是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取值為 1,由公式 (2)可以得到 Po,MZM的值:

根據(jù)無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍的定義可知,當(dāng)輸出信號(hào)功率等于噪聲功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率作為最小輸入功率,此功率作為無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍的功率下限,當(dāng)輸入功率不斷增加,輸出信號(hào)的任意失真分量被噪聲功率淹沒(méi)時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率作為無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍的功率上限。

2 仿真計(jì)算分析

GRF(φdc),N FRF(φdc),SFDR2,3(φdc)的解析表達(dá)式已經(jīng)推導(dǎo)出來(lái)了。本文采用以下參數(shù)來(lái)計(jì)算:輸入輸出阻抗分別為 50Ω,探測(cè)器的響應(yīng)度為 0.8,光纖鏈路損耗αfther假設(shè)為20 dB,MZ調(diào)制器的插入損耗為 -4.5 dB;輸入到調(diào)制器內(nèi)的光強(qiáng)度 Po,in為1.1 dBm;M Z調(diào)制器在零偏置時(shí)的輸出光強(qiáng)度Po,MZM,min為 -18 dBm,調(diào)制器的半波電壓 Vπ,RF為 3 V,4 V和 6 V;EDFA的小信號(hào)增益 G0,ss設(shè)為 30 dB;EDFA的最大輸出光強(qiáng)度 Po,max為 11.8 dBm;且經(jīng)驗(yàn)常數(shù)γ設(shè)置為 1。將參數(shù)代入到公式 (6),得到鏈路的增益曲線。

圖 2 鏈路增益與調(diào)制器歸一化偏置電壓的關(guān)系曲線Fig.2 RF ga in a s a function of no rm a lized bia s-vo ltage

根據(jù)圖 2,發(fā)現(xiàn)鏈路的增益隨著偏置電壓的開始減小而增大,可以看到通過(guò)移動(dòng)偏置電壓從Vbias/Vπ=0.5到一個(gè)最佳偏置點(diǎn)使得 RF增益最大,鏈路的最佳偏置電壓與半波電壓的比Vbias,Gmax/Vπ為 -0.16～0.16。最佳偏置時(shí)的鏈路增益相對(duì)于線性偏置電壓時(shí)的鏈路增益增加了 5.8 dB。主要是因?yàn)楫?dāng)調(diào)節(jié)偏置電壓使偏置點(diǎn)由線性工作點(diǎn)處向最低傳輸點(diǎn)移動(dòng)時(shí),增加了調(diào)制深度,減小了放大器的飽和度,增加了放大器的可用增益。如果從偏置在線性工作點(diǎn)的調(diào)制器出來(lái)的平均光功率足夠高以至于可以飽和 EDFA,那么通過(guò)將偏置點(diǎn)由線性工作點(diǎn)向最小傳輸點(diǎn)移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)增益的最大化。因?yàn)?(1)式中表明了偏置點(diǎn)的降低可以減小馬赫-曾德爾調(diào)制器的調(diào)制效率。然而,在此情況下,EDFA可用增益的利用也得到了改進(jìn)。最佳的偏置不是線性工作點(diǎn)而是一個(gè)工作在與 EDFA的參數(shù)和輸入光功率飽和度有關(guān)的偏置點(diǎn)。在小信號(hào)模型下,鏈路增益的最大值與所選調(diào)制器的半波電壓成反比,但鏈路增益最大時(shí)的歸一化偏置點(diǎn)以及相對(duì)于線性偏置點(diǎn)的增益增加值分別 0.16和 5.8 dB,它與調(diào)制器的半波電壓是無(wú)關(guān)的。

圖 3 噪聲系數(shù)與歸一化偏置電壓的關(guān)系曲線Fig.3 The no ise figure a s a function of no rm a lized bia s-vo ltage

由圖 3可知,噪聲系數(shù)在偏置電壓為半波電壓的 0.17倍存在一個(gè)最小值。而鏈路增益最大值位于 0.16處,因此合理設(shè)置調(diào)制器的偏置電壓,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高鏈路的增益和減小鏈路噪聲,提高鏈路性能。

圖 4 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)與歸一化偏置電壓的關(guān)系曲線Fig.4 SFDR a s a function of no rm a lized bia s vo ltage

由圖 4可知,無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的偏置相位與噪聲系數(shù)取最小值的時(shí)對(duì)應(yīng)的偏執(zhí)相位很接近。但是鏈路的增益在此時(shí)不為最大,可通過(guò)計(jì)算得到最佳偏置點(diǎn),使得鏈路增益和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍增加而噪聲系數(shù)相對(duì)較小。

3 性能優(yōu)化

由以上分析可得最佳偏置相位在線性工作點(diǎn)與最小偏置點(diǎn)之間。根據(jù)鏈路增益的計(jì)算表達(dá)式和噪聲系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式,可得一種優(yōu)化值的表達(dá)式:

選擇這個(gè)表達(dá)式主要是為了得到高增益GRF和低噪聲系數(shù) N FRF所對(duì)應(yīng)的偏置相位,因此,優(yōu)化值的表達(dá)式只是增益和噪聲系數(shù)的簡(jiǎn)單相除。通過(guò)選擇合適的偏置電壓值可以使優(yōu)化值最大化,這樣可以得出考慮影響光通信鏈路性能的增益系數(shù)和噪聲系數(shù)的最佳組合。

圖 5 優(yōu)化值(M)與歸一化偏置電壓的關(guān)系曲線Fig.5 The figure ofMerit as a funct ion of nor m alized bias voltage

優(yōu)化值相對(duì)于偏置相位的仿真曲線如圖 5所示,當(dāng)歸一化偏置電壓取值為 0.16時(shí),優(yōu)化值的最大值 -62.5 dB時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大增益為 -45 dB,噪聲系數(shù)為 56.85 dB。因此可以有效地實(shí)現(xiàn)合適的噪聲系數(shù)和系統(tǒng)增益的最佳組合。

3 結(jié)語(yǔ)

文章推導(dǎo)出了在 ROF光通信鏈路中增益,噪聲系數(shù)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)于調(diào)制器偏置相位的表達(dá)式,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)鏈路最大增益不是在線性工作點(diǎn)而是在遠(yuǎn)低于工作點(diǎn)處,在小信號(hào)模型下,鏈路的增益最大值與調(diào)制器的半波電壓成反比,進(jìn)而推出了優(yōu)化鏈路性能的表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值仿真給出了鏈路性能最佳時(shí)的相位偏置點(diǎn)。通過(guò)實(shí)踐進(jìn)一步研究證實(shí)在多射頻載波以及符合 W i-Fi 802.11/a/g/n,W i-Max等協(xié)議的隨機(jī)調(diào)制的射頻信號(hào)情況下此優(yōu)化表達(dá)式正確性。

伍浩成,羅青松.2010.RoF技術(shù)新近發(fā)展及應(yīng)用[J].光通信技術(shù),5:42-45.

Bulmer,Burns.1984.Linear interferometric modulators inTi:LiNbO3[J].J.Lightw.Technol,4:512-521.

Ackerman E,Wanuga S,Kasemset D,et al.1993.Maximum dynamic range operation of a microwave externalmodulation ber-optic link[J].TransMicrowave Theory Tech,41:1299-1306.

Farwell,ChangW S C.1993.Increased linear dynamic range by low-biasing theMach-Zehndermodulator[J].Photon Technology Letters,5:779-782.

Howerton,Moeller,Gopalakrishnan.1996.Low-biased ber-optic-link for microwave down-conversion[J].Photon Technology Letters,vol.8:1692-1694.

Kolner,Bloom.1986.Electro-optic sampling in GaAs integratedcircuits[J].J.Quantum Electron,22:79-93.

Nichols,W illiams.1997.Optimizing the ultra-wide-band photonic link[J].Microw Theory Tech,45:1384-1389.

Analysis for theModulator B iasOpt im ization of Radio Over Fiber L inks

YANG zhi-gao, CHEN Fu-shen
(optical Sensor and Communication KeyLaboratory ofMinistry of Education,University of Electronic Science and Technology of China Chengdu,Chengdu,SC 610054,China)

Optimum bias level forMach-Zehnder modulator is important for the perfor mance of radio over fiber links.A method of controlling the bias point of modulator in optical communication link,for balancing the gain and noise factor of optical communication link,is proposed,which is based on the analysis on RoF link model.In sub-octave systems,there is a trade-off between these parameters.RF gain first nonlinearly increases and then decreaseswith the bias voltage while,the noise figure has an inverse relationship with the bias voltage.Therefore,a figure of merit is proposed in this paper that takes into account gain,noise figure and spurious-free dynamic range.Simulation results show that an optimal bias point can be obtained by using this figure ofmerit.

modulator;bias;RoF link;RF gain

TN929.1

:A

:1674-3504(2010)04-374-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.012

2010-11-22

楊志高 (1986—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槭录晒鈱W(xué)器件及光通信技術(shù)。Email:zhigao1986@163.com