基于EDFA的微波光子鏈路噪聲系數研究*

張靜 戴澤璟 梁會娟 張業斌 崇毓華

1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088；2. 安徽省天線與微波工程實驗室 安徽 合肥 230088

引言

微波光子學融合了模擬光纖技術和微波技術，其是利用光子技術來完成微波系統中射頻信號的處理和傳輸。其中光生毫米波技術[1]、光纖無線電（ROF）技術[2]、光控相控陣技術[3]等微波光子學技術的分支成為近年來國內外研究的熱點。微波光子技術的超寬帶、高集成、低串擾、靈活調諧與重構優勢可極大的提升雷達系統、電子對抗的綜合性能。但目前也存在鏈路損耗較高、噪聲系數過大等問題。因此低噪聲的微波光子鏈路的設計與實現一直都是微波光子學的研究熱點。為了解決鏈路損耗過大，提高探測器的光功率，微波光子鏈路中往往會加入摻鉺光纖放大器（EDFA）。含有EDFA的微波光子鏈路，鏈路的噪聲演化問題更加復雜，因此開展EDFA系統噪聲系數的研究很有必要。

1 理論分析

微波光子鏈路根據調制方式的不同，可以分為直接調制和外調制鏈路。外調制鏈路和直接調制鏈路相比，具有更好的噪聲特性[4]，本文以典型的外強度調制與直接探測（IMDD）結構的微波光鏈路為例進行分析微波光子鏈路噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲、RIN噪聲。下面我們分析某種噪聲占主導地位時，噪聲系數的影響因素。

1.1 散粒受限系統

在散粒噪聲受限系統中，當散粒噪聲在鏈路輸出噪聲譜密度中占主導優勢時，系統的噪聲系數滿足以下公式：

系統噪聲系數和進探測器光功率以及Vπ有關，Vπ一定的情況下，（探測器響應度一定的情況下），增加進探測器的光功率可以降低噪聲系數。持續增大進探測器的光功率，系統從散粒受限系統轉換為RIN噪聲受限系統，此時改變進探測器的光功率無法改變系統噪聲系數。

1.2 RIN噪聲受限系統

在RIN噪聲受限系統中，當RIN噪聲在鏈路輸出噪聲譜密度中占主導優勢時，系統的噪聲系數滿足以下公式：

從公式中可以看出，Vπ一定的情況下，系統噪聲系數只與RIN噪聲有關。

1.3 噪聲演化

對于指定的微波光子鏈路，系統的總噪聲實際上是RIN噪聲和散粒噪聲的疊加。滿足以下公式：

系統中如果引入EDFA，噪聲的演化規律有所不同。下面我們假定系統采用的激光器RIN噪聲為-165dBc/Hz，探測器響應度為0.85A/W，進行仿真。通過仿真可以發現，有光放系統在進探測器光功率較低時，系統的總噪聲曲線與散粒噪聲曲線接近重合。無光放系統在進探測器光功率較高時系統的總噪聲曲線與RIN噪聲曲線接近重合。

圖1 無光放系統與光放系統噪聲演化（進EDFA光功率為-4dBm）

從圖中可以得出以下結論：①有光放系統，進EDFA光功率為-4dBm時進探測器光功率≥6dBm，認為微波光子鏈路系統進入RIN受限系統，此時RIN噪聲曲線與總噪聲曲線重合。②無光放系統，進探測器光功率≥20dBm，認為系統進入RIN受限系統。從圖中可以看出EDFA的光功率直接影響系統進入RIN受限系統時進探測器的光功率。

無光放系統，系統進入RIN受限系統的拐點與激光器的RIN噪聲有關，激光器的RIN噪聲越低，拐點處進探測器的光功率越大。有光放系統，系統進入RIN受限系統的拐點與EDFA引入的RIN噪聲有關。引入的RIN噪聲與進EDFA的光功率有關，當自發輻射-信號拍頻噪聲占主導地位，EDFA引入的RIN噪聲滿足以下公式：

從公式中可以看出EDFA的光功率越大，EDFA引入的RIN噪聲越小。RIN噪聲越小，系統進入RIN受限系統時，拐點處進探測器的光功率越大。換句話說，在系統進入RIN受限系統之前，都是可以通過提高探測器光功率來降低系統噪聲系數。下面主要通過實驗來驗證此公式的適用范圍，探討EDFA的光功率的上限。

2 實驗鏈路

按照如圖2所示搭建實驗鏈路。激光器選用I-TUTC34波長，輸出光功率為19dBm，調制器為鈮酸鋰強度調制器，通過偏壓控制使其工作在正交工作點處，微波光子鏈路的光損耗為7dB。為了驗證低功率進EDFA系統時系統的噪聲特性，在鏈路中加入可調衰減器VOA1，使進入EDFA的光功率為-12dBm。EDFA輸出光功率為17dBm。根據前文分析，進探測器光功率≥1dBm，系統就進入RIN受限系統。因此調節VOA2使探測器光功率為1dBm。

圖2 實驗鏈路

按照實驗鏈路搭建測試系統，在13GHz處實測增益G=-36dB，噪底=-161dBm/Hz，噪聲系數NF=49dB。下面來驗證理論公式的適用性。

進入EDFA光功率為-12dBm ，EDFA 的光的噪聲系數取5，帶入公式（4）得到EDFA的RIN噪聲為-138.9dBc/Hz。

由EDFA的RIN噪聲轉化的輸出端射頻噪聲為：

（此計算R取0.85A/W，PDin=1dBm相當于1.25mw，Idc=1.0625mA）

系統的散粒噪聲所導致的輸出噪聲功率譜為：

系統為RIN噪聲受限系統，系統的噪聲系數滿足公式（2），Vπ取4.3V，得到NF=50.76dB。實測49dB，理論50.76dB，兩個結果比較接近。

調節VOA1繼續增大進EDFA光功率，使進入EDFA光功率大于10dBm。因為實驗中選用EDFA對輸入EDFA最大光功率有限制，實驗中EDFA輸入最大功率只測到12dBm。實測噪聲系數和公式推導相差太大，公式（4）不再適用。許多EDFA的生產商都會將NF0定義為EDFA輸入功率的函數，當進入EDFA光功率大于10dBm，NF0不再是常量，隨著EDFA輸入功率的增大而增大。

當進入EDFA光功率≤10dBm時，通過公式（4）可以看出，進EDFA光功率越大，EDFA引入的RIN噪聲越小。RIN噪聲受限系統（Vπ一定的情況下），NF只和系統的RIN噪聲有關。此時EDFA引入的RIN噪聲大于激光器的RIN噪聲-165dBc/Hz，只考慮EDFA引入的RINEDFA，NF與EDFA輸入光功率近似呈線性關系，EDFA輸入光功率越小，NF越小。這一結論對指導實際的微波光子鏈路設計非常重要，可以根據系統中進EDFA的光功率大小估算鏈路噪聲系數。

當進入EDFA光功率＞10dBm，系統的噪聲系數與輸入EDFA光功率不再滿足線性關系，出現壓縮。

3 結束語

本文分析了微波光子鏈路噪聲系數影響的主要因素。在散粒噪聲受限系統中，系統噪聲系數和進探測器光功率以及Vπ有關。在Vπ和探測器響應度一定的情況下，增加進探測器的光功率可以降低噪聲系數。持續增大進探測器的光功率，系統從散粒受限系統轉換為RIN噪聲受限系統，此時改變進探測器的光功率無法改變系統噪聲系數。RIN噪聲受限系統通過降低激光器的RIN噪聲（無EDFA系統）或者（有EDFA的系統）增加進EDFA光功率，均可降低噪聲系數。