光通信鏈路模型分析與調制器偏置點修正

楊志高, 陳福深

(電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點實驗室,四川成都 610054)

光通信鏈路模型分析與調制器偏置點修正

楊志高, 陳福深

(電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點實驗室,四川成都 610054)

Mach-Zehnder調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鏈路模型的基礎上,提出了一種平衡光通信鏈路的增益和噪聲系數的光通信鏈路中調制器偏置點的控制方法。在次倍頻程系統中,必須在鏈路的增益和噪聲系數之間折中來提高鏈路性能。經分析模型可知射頻增益開始隨著偏置電壓的遞增而遞增,當射頻增益達到最大值之后,增益則隨著偏置電壓的增加而遞減,而噪聲系數的性能恰恰與它相反。因此,給出了一種優化表達式來綜合考慮增益、噪聲系數和無雜散動態范圍。仿真結果表明最佳偏置點可以根據給出的優化表達式分析計算得到。

調制器;偏置;光通信鏈路;射頻增益

光通信中的 ROF技術能夠利用光纖通信寬帶寬、低傳輸損耗等優點 (伍浩成等,2010)被用于各種領域,例如有線電視信號的傳輸和遠端天線信號。遠端天線的光纖連接常常采用向馬赫 -曾德爾強度調制器,這種調制器本質上存在一定非線性。因此,幅度較小的調制信號和光學調制深度較小的信號可以用這種調制器來調制,這樣才能控制此調制器輸出信功率號達到最小。Bulmer等(1984)研究了外調制器鏈路的互調失真和 SFDR,但是沒有預測由于調制器的偏置電壓的偏離線性點時的優越性能。增益、噪聲系數以及 SFDR是許多鏈路參數的函數其中就包括了調制器的偏置相位 (Ackerman et al.,1993)?？偨Y出了在光功率不高的情況下,最佳偏置為線性工作點,此時的鏈路增益最大。但是在窄帶高光功率鏈路中,將調制器的偏置點向最低傳輸功率點移動可以增加系統的SFDR(Farwell et al.,1993;Nichols et al.,1997)。低偏置的調制器可以被運用于下變頻系統 (Howerton et al.,1996)中,這樣可以減小變頻損耗。在這種低偏置鏈路中,因為低偏置后的調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系統中,為了較少鏈路的成本,多個信道可以共用一個摻鉺光纖放大器 (EDFA)。然而,實際使用的摻鉺光纖放大器 (EDFA)的增益與輸入光功率有關,這樣它就會隨著調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)的工作狀態和調制器偏置點之間的關系。從理論上分析鏈路的射頻增益、鏈路的噪聲系數以及鏈路的 SFDR與外調制器的線性偏置工作點的關系,分析得到鏈路的增益可以通過降低調制器的偏置點來進行優化。

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DFB激光器,激光器出來的光經過一個偏振控制器之后光強度受到馬赫-曾德爾調制器的調制,然后經 EDFA放大,使用衰減器來控制飽和光功率,這樣使增益曲線不受探測器的非線性效應的影響?？偟逆溌吩诜糯蠛蟮乃p包括光纖損耗設置為 20 dB。探測到的 RF射頻功率可以通過射頻頻譜儀得到。調制信號的中心頻率是 f0=5 GHz,這是 802.11 a/g協議下的 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的小信號增益,Po,MZM是從MZ調制器輸出到 EDFA內的光功率,Po,max是 EDFA的最大輸出光功率,γ是一個經驗常數,取值為 1,由公式 (2)可以得到 Po,MZM的值:

根據無寄生動態范圍的定義可知,當輸出信號功率等于噪聲功率時所對應的輸入信號功率作為最小輸入功率,此功率作為無寄生動態范圍的功率下限,當輸入功率不斷增加,輸出信號的任意失真分量被噪聲功率淹沒時,此時對應的輸入信號功率作為無寄生動態范圍的功率上限。

2 仿真計算分析

GRF(φdc),N FRF(φdc),SFDR2,3(φdc)的解析表達式已經推導出來了。本文采用以下參數來計算:輸入輸出阻抗分別為 50Ω,探測器的響應度為 0.8,光纖鏈路損耗αfther假設為20 dB,MZ調制器的插入損耗為 -4.5 dB;輸入到調制器內的光強度 Po,in為1.1 dBm;M Z調制器在零偏置時的輸出光強度Po,MZM,min為 -18 dBm,調制器的半波電壓 Vπ,RF為 3 V,4 V和 6 V;EDFA的小信號增益 G0,ss設為 30 dB;EDFA的最大輸出光強度 Po,max為 11.8 dBm;且經驗常數γ設置為 1。將參數代入到公式 (6),得到鏈路的增益曲線。

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

根據圖 2,發現鏈路的增益隨著偏置電壓的開始減小而增大,可以看到通過移動偏置電壓從Vbias/Vπ=0.5到一個最佳偏置點使得 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。最佳偏置時的鏈路增益相對于線性偏置電壓時的鏈路增益增加了 5.8 dB。主要是因為當調節偏置電壓使偏置點由線性工作點處向最低傳輸點移動時,增加了調制深度,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的調制器出來的平均光功率足夠高以至于可以飽和 EDFA,那么通過將偏置點由線性工作點向最小傳輸點移動可以實現射頻信號增益的最大化。因為 (1)式中表明了偏置點的降低可以減小馬赫-曾德爾調制器的調制效率。然而,在此情況下,EDFA可用增益的利用也得到了改進。最佳的偏置不是線性工作點而是一個工作在與 EDFA的參數和輸入光功率飽和度有關的偏置點。在小信號模型下,鏈路增益的最大值與所選調制器的半波電壓成反比,但鏈路增益最大時的歸一化偏置點以及相對于線性偏置點的增益增加值分別 0.16和 5.8 dB,它與調制器的半波電壓是無關的。

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

由圖 3可知,噪聲系數在偏置電壓為半波電壓的 0.17倍存在一個最小值。而鏈路增益最大值位于 0.16處,因此合理設置調制器的偏置電壓,可以同時實現提高鏈路的增益和減小鏈路噪聲,提高鏈路性能。

圖 4 無雜散動態范圍(SFDR)與歸一化偏置電壓的關系曲線Fig.4 SFDR a s a function of no rm a lized bia s vo ltage

由圖 4可知,無雜散動態范圍的取最大值時對應的偏置相位與噪聲系數取最小值的時對應的偏執相位很接近。但是鏈路的增益在此時不為最大,可通過計算得到最佳偏置點,使得鏈路增益和無雜散動態范圍增加而噪聲系數相對較小。

3 性能優化

由以上分析可得最佳偏置相位在線性工作點與最小偏置點之間。根據鏈路增益的計算表達式和噪聲系數的計算表達式,可得一種優化值的表達式:

選擇這個表達式主要是為了得到高增益GRF和低噪聲系數 N FRF所對應的偏置相位,因此,優化值的表達式只是增益和噪聲系數的簡單相除。通過選擇合適的偏置電壓值可以使優化值最大化,這樣可以得出考慮影響光通信鏈路性能的增益系數和噪聲系數的最佳組合。

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

優化值相對于偏置相位的仿真曲線如圖 5所示,當歸一化偏置電壓取值為 0.16時,優化值的最大值 -62.5 dB時,此時對應的最大增益為 -45 dB,噪聲系數為 56.85 dB。因此可以有效地實現合適的噪聲系數和系統增益的最佳組合。

3 結語

文章推導出了在 ROF光通信鏈路中增益,噪聲系數和無雜散動態范圍的關于調制器偏置相位的表達式,經分析發現鏈路最大增益不是在線性工作點而是在遠低于工作點處,在小信號模型下,鏈路的增益最大值與調制器的半波電壓成反比,進而推出了優化鏈路性能的表達式。通過數值仿真給出了鏈路性能最佳時的相位偏置點。通過實踐進一步研究證實在多射頻載波以及符合 W i-Fi 802.11/a/g/n,W i-Max等協議的隨機調制的射頻信號情況下此優化表達式正確性。

伍浩成,羅青松.2010.RoF技術新近發展及應用[J].光通信技術,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,研究方向為事集成光學器件及光通信技術。Email:zhigao1986@163.com