射頻光傳輸鏈路發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、射頻光傳輸即ROF（Radio Over Fiber）技術(shù)是一種利用射頻或中頻信號(hào)調(diào)制光波并通過光波進(jìn)行傳輸?shù)男畔鬏敿夹g(shù)。由于利用光纖傳輸射頻信號(hào)具有信道穩(wěn)定、損耗低、帶寬大、不受電磁干擾、無輻射、重量輕、易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此ROF技術(shù)在移動(dòng)通信、艦船通信、射電天文、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且對(duì)于這些應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。
　　 半導(dǎo)體激光器是ROF鏈路光發(fā)射部分的核心元件，它的性能對(duì)于鏈路的增益、噪聲

2、與動(dòng)態(tài)范圍有重要的影響。本文首先介紹了ROF鏈路的性能指標(biāo)和影響這些性能指標(biāo)的因素以及在設(shè)計(jì)過程中需要考慮的因素，接著對(duì)于半導(dǎo)體激光器的建模與測(cè)試以及線性化進(jìn)行了研究。主要的工作包括：
　　 （1）在ADS（Advanced Designed Systems）中利用SDD（Symbolic Defined Device）器件實(shí)現(xiàn)了垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting

3、 Laser）的溫度模型。通過在速率方程中引入一個(gè)受溫度控制的偏置電流來模擬VCSEL中的各種影響溫度效應(yīng)的機(jī)制，并對(duì)于其直流、交流以及瞬態(tài)特性隨溫度的變化進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果顯示此模型可以有效的模擬VCSEL的閾值電流隨環(huán)境溫度變化與輸出功率滾降、調(diào)制響應(yīng)以及在脈沖關(guān)斷時(shí)的二次脈沖現(xiàn)象。根據(jù)非線性系統(tǒng)Volterra級(jí)數(shù)分析理論建立了半導(dǎo)體激光器的非線性模型。半導(dǎo)體激光器由本征激光器與寄生網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成。本征激光器的非線性傳遞函數(shù)利用諧

4、波輸入法從速率方程得到，而寄生網(wǎng)絡(luò)的非線性傳遞函數(shù)由影響其非線性的主要因素決定。在此基礎(chǔ)上利用非線性系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)關(guān)系得到半導(dǎo)體激光器的非線性傳遞函數(shù)，并利用模型計(jì)算了半導(dǎo)體激光器的二次諧波、三次諧波和三階交調(diào)失真，計(jì)算結(jié)果顯示在寬頻范圍內(nèi)模型計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果接近，且寄生網(wǎng)絡(luò)對(duì)于激光器非線性的影響隨頻率升高而逐漸加大。比較Volterra模型與直接仿真之間的誤差隨輸入信號(hào)功率的變化趨勢(shì)可看出Volterra模型更加適用于分析弱非線性系統(tǒng)。

5、本文所建立的模型有助于半導(dǎo)體激光器的器件表征與射頻光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　 （2）提出了一種新的通過測(cè)量外特性來表征半導(dǎo)體激光器的方法。通過測(cè)量不同長度的傳輸線的散射參數(shù)可以表征測(cè)試夾具，進(jìn)而可以從ROF鏈路的直接測(cè)試結(jié)果中扣除測(cè)試夾具的影響。通過測(cè)量零偏與正偏條件下激光器的反射系數(shù)可以確定封裝與寄生網(wǎng)絡(luò)；通過測(cè)量閾值以上不同偏置電流對(duì)應(yīng)的鏈路的S21曲線的交點(diǎn)頻率可以提取有源區(qū)的頻率響應(yīng)，利用小信號(hào)電路模型對(duì)于頻率響應(yīng)進(jìn)行擬合

6、可以得到合理的小信號(hào)模型元件數(shù)值，再利用小信號(hào)模型元件與大信號(hào)模型參數(shù)之間的關(guān)系可以得到速率方程的參數(shù)。對(duì)于測(cè)量與模型仿真得到的反射系數(shù)的幅值、相位與歸一化調(diào)制響應(yīng)幅值進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示這種方法可以在缺乏關(guān)于半導(dǎo)體激光器的材料與結(jié)構(gòu)信息的條件下通過測(cè)量激光器的外特性建立在仿真中合理可用的模型。
　　 （3）利用中芯國際（SMIC）的0.18-μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一種模擬預(yù)失真電路。該電路由兩個(gè)源極耦合差分跨導(dǎo)放大器組成，通