基于EDFA的微波光子链路噪声系数研究*

张静 戴泽璟 梁会娟 张业斌 崇毓华

1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088；2. 安徽省天线与微波工程实验室 安徽 合肥 230088

引言

微波光子学融合了模拟光纤技术和微波技术，其是利用光子技术来完成微波系统中射频信号的处理和传输。其中光生毫米波技术[1]、光纤无线电（ROF）技术[2]、光控相控阵技术[3]等微波光子学技术的分支成为近年来国内外研究的热点。微波光子技术的超宽带、高集成、低串扰、灵活调谐与重构优势可极大的提升雷达系统、电子对抗的综合性能。但目前也存在链路损耗较高、噪声系数过大等问题。因此低噪声的微波光子链路的设计与实现一直都是微波光子学的研究热点。为了解决链路损耗过大，提高探测器的光功率，微波光子链路中往往会加入掺铒光纤放大器（EDFA）。含有EDFA的微波光子链路，链路的噪声演化问题更加复杂，因此开展EDFA系统噪声系数的研究很有必要。

1 理论分析

微波光子链路根据调制方式的不同，可以分为直接调制和外调制链路。外调制链路和直接调制链路相比，具有更好的噪声特性[4]，本文以典型的外强度调制与直接探测（IMDD）结构的微波光链路为例进行分析微波光子链路噪声主要包括热噪声、散粒噪声、RIN噪声。下面我们分析某种噪声占主导地位时，噪声系数的影响因素。

1.1 散粒受限系统

在散粒噪声受限系统中，当散粒噪声在链路输出噪声谱密度中占主导优势时，系统的噪声系数满足以下公式：

系统噪声系数和进探测器光功率以及Vπ有关，Vπ一定的情况下，（探测器响应度一定的情况下），增加进探测器的光功率可以降低噪声系数。持续增大进探测器的光功率，系统从散粒受限系统转换为RIN噪声受限系统，此时改变进探测器的光功率无法改变系统噪声系数。

1.2 RIN噪声受限系统

在RIN噪声受限系统中，当RIN噪声在链路输出噪声谱密度中占主导优势时，系统的噪声系数满足以下公式：

从公式中可以看出，Vπ一定的情况下，系统噪声系数只与RIN噪声有关。

1.3 噪声演化

对于指定的微波光子链路，系统的总噪声实际上是RIN噪声和散粒噪声的叠加。满足以下公式：

系统中如果引入EDFA，噪声的演化规律有所不同。下面我们假定系统采用的激光器RIN噪声为-165dBc/Hz，探测器响应度为0.85A/W，进行仿真。通过仿真可以发现，有光放系统在进探测器光功率较低时，系统的总噪声曲线与散粒噪声曲线接近重合。无光放系统在进探测器光功率较高时系统的总噪声曲线与RIN噪声曲线接近重合。

图1 无光放系统与光放系统噪声演化（进EDFA光功率为-4dBm）

从图中可以得出以下结论：①有光放系统，进EDFA光功率为-4dBm时进探测器光功率≥6dBm，认为微波光子链路系统进入RIN受限系统，此时RIN噪声曲线与总噪声曲线重合。②无光放系统，进探测器光功率≥20dBm，认为系统进入RIN受限系统。从图中可以看出EDFA的光功率直接影响系统进入RIN受限系统时进探测器的光功率。

无光放系统，系统进入RIN受限系统的拐点与激光器的RIN噪声有关，激光器的RIN噪声越低，拐点处进探测器的光功率越大。有光放系统，系统进入RIN受限系统的拐点与EDFA引入的RIN噪声有关。引入的RIN噪声与进EDFA的光功率有关，当自发辐射-信号拍频噪声占主导地位，EDFA引入的RIN噪声满足以下公式：

从公式中可以看出EDFA的光功率越大，EDFA引入的RIN噪声越小。RIN噪声越小，系统进入RIN受限系统时，拐点处进探测器的光功率越大。换句话说，在系统进入RIN受限系统之前，都是可以通过提高探测器光功率来降低系统噪声系数。下面主要通过实验来验证此公式的适用范围，探讨EDFA的光功率的上限。

2 实验链路

按照如图2所示搭建实验链路。激光器选用I-TUTC34波长，输出光功率为19dBm，调制器为铌酸锂强度调制器，通过偏压控制使其工作在正交工作点处，微波光子链路的光损耗为7dB。为了验证低功率进EDFA系统时系统的噪声特性，在链路中加入可调衰减器VOA1，使进入EDFA的光功率为-12dBm。EDFA输出光功率为17dBm。根据前文分析，进探测器光功率≥1dBm，系统就进入RIN受限系统。因此调节VOA2使探测器光功率为1dBm。

图2 实验链路

按照实验链路搭建测试系统，在13GHz处实测增益G=-36dB，噪底=-161dBm/Hz，噪声系数NF=49dB。下面来验证理论公式的适用性。

进入EDFA光功率为-12dBm ，EDFA 的光的噪声系数取5，带入公式（4）得到EDFA的RIN噪声为-138.9dBc/Hz。

由EDFA的RIN噪声转化的输出端射频噪声为：

（此计算R取0.85A/W，PDin=1dBm相当于1.25mw，Idc=1.0625mA）

系统的散粒噪声所导致的输出噪声功率谱为：

系统为RIN噪声受限系统，系统的噪声系数满足公式（2），Vπ取4.3V，得到NF=50.76dB。实测49dB，理论50.76dB，两个结果比较接近。

调节VOA1继续增大进EDFA光功率，使进入EDFA光功率大于10dBm。因为实验中选用EDFA对输入EDFA最大光功率有限制，实验中EDFA输入最大功率只测到12dBm。实测噪声系数和公式推导相差太大，公式（4）不再适用。许多EDFA的生产商都会将NF0定义为EDFA输入功率的函数，当进入EDFA光功率大于10dBm，NF0不再是常量，随着EDFA输入功率的增大而增大。

当进入EDFA光功率≤10dBm时，通过公式（4）可以看出，进EDFA光功率越大，EDFA引入的RIN噪声越小。RIN噪声受限系统（Vπ一定的情况下），NF只和系统的RIN噪声有关。此时EDFA引入的RIN噪声大于激光器的RIN噪声-165dBc/Hz，只考虑EDFA引入的RINEDFA，NF与EDFA输入光功率近似呈线性关系，EDFA输入光功率越小，NF越小。这一结论对指导实际的微波光子链路设计非常重要，可以根据系统中进EDFA的光功率大小估算链路噪声系数。

当进入EDFA光功率＞10dBm，系统的噪声系数与输入EDFA光功率不再满足线性关系，出现压缩。

3 结束语

本文分析了微波光子链路噪声系数影响的主要因素。在散粒噪声受限系统中，系统噪声系数和进探测器光功率以及Vπ有关。在Vπ和探测器响应度一定的情况下，增加进探测器的光功率可以降低噪声系数。持续增大进探测器的光功率，系统从散粒受限系统转换为RIN噪声受限系统，此时改变进探测器的光功率无法改变系统噪声系数。RIN噪声受限系统通过降低激光器的RIN噪声（无EDFA系统）或者（有EDFA的系统）增加进EDFA光功率，均可降低噪声系数。