Нелинейные и поляризационные эффекты в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором при передаче сверхширокополосных аналоговых сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петров Алексей Николаевич

• Петров Алексей Николаевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Петров Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Передача сверхширокополосных аналоговых сигналов по волоконно-

оптическим линиям

1. 1 ВОЛ с амплитудной модуляцией и прямым детектированием

1.2 Основные характеристики аналоговых ВОЛ и факторы их определяющие

1.3 Методы повышения характеристик аналоговых ВОЛ

1.4 Передача сверхширокополосных аналоговых сигналов от удаленных источников

1.5 Постановка задач исследований

ГЛАВА 2 Поляризационные эффекты в волоконно-оптической линии с удаленным анизотропным электрооптическим модулятором и методы компенсации поляризационного фединга

2.1 Изменение состояния поляризации при распространении по одномодовому волокну без сохранения поляризации

2.2 Поддержание заданного состояния линейной поляризации на входе удаленного модулятора с помощью поляризационного контроллера

2.3 Теоретический анализ изменения состояния поляризации при управлении преобразователем поляризации в виде набора волновых пластинок

2.4 Создание квазидеполяризованного источника на основе двух лазерных источников с ортогональной линейной поляризацией

2.5 Влияние дисперсии ВОЛ при одновременном использовании двух линий лазерного излучения, разнесенных по частоте

2.6 Шумовые характеристики волоконно-оптических линий передачи аналоговых СВЧ сигналов с компенсацией поляризационного фединга

2.7 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Влияние оптической мощности на характеристики ВОЛ с удаленным модулятором

3.1 Влияние вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна на основные характеристики волоконно-оптической линии передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов

3.2 Влияние вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна на доставку оптической мощности к удаленному модулятору

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Передача сверхширокополосного сигнала с характеристиками близкими к квантовому пределу дробового шума

4.1 Теоретическая оценка предельных параметров ВОЛ с удаленным модулятором

4.2 Метод повышения характеристик ВОЛ путем подавления относительного шума интенсивности лазерного диода

4.3 Экспериментальная демонстрация ВОЛ с удаленным внешним модулятором с характеристиками близкими к пределу дробового шума

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5 Влияние положения рабочей точки удаленного модулятора на уровень шумов и нелинейные искажения при передаче сверхширокополосных аналоговых сигналов

5.1 Повышение коэффициента передачи и снижение уровня шумов путем выбора рабочей точки модулятора Маха-Цендера

5.2 Подавление нелинейности третьего порядка и субоктавная линеаризация модулятора на основе направленного ответвителя

5.3 Выводы по главе

ГЛАВА 6 Методы питания удаленного модулятора по оптическому волокну

6.1 Система контроля рабочей точки удаленно расположенного модулятора с питанием по оптоволокну

6.2 Одновременная передача по одномодовому волокну на разных длинах волн сверхширокополосного оптического сигнала и энергии

6.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Общемировая потребность в увеличении пропускной способности информационных каналов приводит к необходимости передачи все более широкополосных сигналов на большие расстояния. В том числе, во многих задачах требуется передача широкополосных аналоговых сигналов на значительные расстояния от сотен метров до нескольких километров, что может быть осуществлено с помощью волоконно-оптических линий (ВОЛ). Уникальные свойства оптического волокна, как канала передачи сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, обеспечивают огромную полосу пропускания (несколько ТГц), независимость потерь от частоты передаваемого СВЧ сигнала и слабую зависимость потерь от длины линии передачи (~0,1 дБ/км).

Передача сверхширокополосных аналоговых сигналов по ВОЛ широко используется в стремительно развивающейся беспроводной мобильной связи, в уже получивших широкое распространение системах пятого (5G) и появляющихся системах шестого (6G) поколения. Архитектура систем распределения радиочастотной несущей по оптическому волокну (RoF) предполагает разветвленную сеть удаленных антенных терминалов с простой технической реализацией. Это обуславливает необходимость исследования и разработки новых методов передачи аналоговых СВЧ сигналов по ВОЛ, которые позволяют максимально упростить удаленный терминал с электрооптическим модулятором и антенной и сконцентрировать сложную энергопотребляющую СВЧ аппаратуру на центральном посте. При разработке новых методов основное внимание должно быть направлено на исследование и преодоление главных ограничивающих пропускную способность факторов, таких как низкая эффективность преобразования электрического сигнала в оптический сигнал и обратно, высокие шумы источников оптического излучения, нелинейные искажения передаваемых сигналов, а также проблем доставки питания и совместной передачи информационных сигналов от удаленных терминалов.

Таким образом, поиск новых методов передачи по ВОЛ аналоговых СВЧ сигналов от удаленных источников является актуальной научной задачей, решение которой имеет высокую значимость для систем телекоммуникаций, а также для менее массовой, но не менее важной области применения радиофотоники в радиоастрономии и военной специальной технике.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные и поляризационные эффекты в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором при передаче сверхширокополосных аналоговых сигналов»

Цель работы

Целью работы является разработка новых методов передачи по волоконно-оптической линии сверхширокополосных аналоговых сигналов, формируемых удаленным модулятором.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определить влияние нелинейных и поляризационных эффектов в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором на характеристики передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов.

2. Разработать методы снижения уровня шумов в волоконно-оптической линии с удаленным модулятором до уровня дробового шума при использовании балансного детектирования.

3. Провести исследования влияния положения рабочей точки удаленного модулятора на коэффициент передачи, коэффициент шума, нелинейные искажения и динамический диапазон волоконно-оптической линии.

4. Исследовать возможность передачи по одномодовому оптическому волокну дополнительного оптического излучения высокой мощности, использующегося в целях обеспечения питания электронных схем, и его влияние на аналоговый СВЧ сигнал от удаленного модулятора.

Научная новизна:

• Впервые проведены исследования влияния нелинейных и поляризационных эффектов в ВОЛ с удаленным модулятором на ключевые характеристики передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов (коэффициент

передачи, коэффициент шума, динамический диапазон, свободный от нелинейных искажений).

• Предложены оригинальные методы доставки оптического излучения к удаленному электрооптическому модулятору и контроля его рабочей точки, обеспечивающие достижение характеристик передачи сверхширокополосных аналоговых сигналов близких к фундаментальному пределу дробового шума.

• Впервые выявлены условия работы субоктавного оптического модулятора на основе направленного ответвителя, обеспечивающие линеаризацию передачи аналоговых СВЧ сигналов.

• Впервые продемонстрирована возможность передачи к удаленному модулятору дополнительного оптического излучения высокой мощности для питания электронных схем, не влияющая на СВЧ сигнал, передаваемый от модулятора.

Практическая значимость работы:

• Экспериментально продемонстрированы методы доставки оптического излучения к удаленному анизотропному электрооптическому модулятору по оптическому волокну без сохранения поляризации.

• Разработаны методы стабилизации заданной рабочей точки удаленного модулятора, не требующие внешнего электрического питания.

• Продемонстрирована ВОЛ с удаленным модулятором с характеристиками близкими к фундаментальному пределу дробового шума.

• Экспериментально продемонстрирована линеаризация передачи СВЧ сигналов в субоктавном диапазоне частот с помощью выбора рабочей точки модулятора на основе направленного ответвителя.

• Экспериментально показана возможность передачи мощности по одномодовому оптическому волокну, позволяющая дистанционно запитать электронные схемы с потреблением до 500 мВт без снижения характеристик передачи ВОЛ СВЧ сигнала от удаленного модулятора.

Теоретическая значимость диссертации заключается в том, что выявлены факторы, ограничивающие характеристики ВОЛ с удаленным модулятором и сделаны теоретические оценки достижимых параметров.

Проведен теоретический анализ использования в ВОЛ источника света на основе двух лазерных диодов с ортогональной поляризацией и сформулированы критерии выбора длин волн лазерных диодов.

Проведен теоретический анализ линеаризации передачи СВЧ сигнала с использованием модулятора на основе направленного ответвителя. Определены условия линеаризации и выявлена зависимость оптимальной рабочей точки модулятора от амплитуды сигнала.

Методология диссертационного исследования.

Экспериментальные исследования проводились с использованием признанных современных методик и сертифицированного измерительного оборудования. Использовался системный подход к проведению экспериментальных и теоретических изысканий и анализу их результатов, позволивший комплексно изучить наблюдаемые эффекты.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается тем, что при разработке аппаратной реализации методов решения поставленных задач применялись признанные научным сообществом принципы построения аппаратуры ВОЛ. Используется системный подход к проведению экспериментальных и теоретических изысканий и анализу их результатов. Полученные в ходе численного моделирования результаты соответствовали экспериментальным данным. В работе были использованы взаимодополняющие экспериментальные и теоретические подходы, позволившие комплексно изучить наблюдаемые явления и процессы. Полученные в ходе исследований научные результаты обсуждались на всероссийских и международных конференциях и были опубликованы в рецензируемых научных журналах, в том числе, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ.

Научные положения, выносимые на защиту

• Поляризационный фединг в волоконно-оптической линии на основе стандартного изотропного волокна, вызванный анизотропными свойствами удаленного модулятора, компенсируется при использовании двух одночастотных лазерных источников равной мощности с ортогональной линейной поляризацией, причем разность центральных частот линий излучения лазерных источников выбирается как компромисс между требованиями по минимизации нелинейных интермодуляционных искажений и отсутствием замираний из-за дисперсии групповых скоростей в оптическом волокне, а возникающие дополнительные поляризационно-зависимые шумы интенсивности имеют синфазный характер и могут быть подавлены балансным детектированием.

• В протяженной волоконно-оптической линии передачи аналоговых сигналов с удаленным модулятором предельные значения коэффициента передачи, коэффициента шума и динамического диапазона определяются предельной оптической мощностью узкополосного оптического излучения, доставляемой до модулятора, ограниченной пороговой мощностью вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюена.

• Амплитудный модулятор на основе волноводного направленного ответвителя имеет рабочую точку, соответствующую максимальному подавлению интермодуляционных членов третьего порядка, зависящую от амплитуды модулирующего сигнала, в которой обеспечивается линеаризация в субоктавном диапазоне частот.

• Излучение на длине волны 975 - 980 нм мощностью до 2 Вт при одновременной передаче к удаленному модулятору по одномодовому волокну вместе с излучением оптической несущей на длине волны 1530 - 1560 нм не ухудшает ключевые характеристики (коэффициент шума

и динамический диапазон) передаваемого от удаленного модулятора сверхширокополосного аналогового сигнала.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и апробировались на следующих конференциях: Laser Optics 2014; Всероссийская конференция по волоконной оптике (ВКВО-2015); IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech 2019, 2020); SPb Open 2015; International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (New2AN 2020).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Из них 4 публикации в журналах из перечня ВАК, 7 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 1 таблицу, список цитированной литературы представлен 113 наименованиями.

ГЛАВА 1 Передача сверхширокополосных аналоговых сигналов по

волоконно-оптическим линиям

1.1 ВОЛ с амплитудной модуляцией и прямым детектированием

Различные виды ВОЛ можно в первую очередь классифицировать по виду модуляции оптической несущей информационным СВЧ сигналом [1, 2].

В большинстве ВОЛ для передачи аналогового радиосигнала по оптоволокну используется модуляция интенсивности оптического излучения. Это так называемые ВОЛ с амплитудной модуляцией и прямым детектированием. [3-12]. В качестве источника оптического излучения во всех аналоговых волоконно-оптических линиях используются одночастотные лазеры, как правило с низкими значениями относительного шума интенсивности (КТЫ).

Модуляция интенсивности имеет два вида технической реализации:

• внутренняя (прямая) модуляция, при которой происходит непосредственная модуляция интенсивности выходного излучения при изменении тока питания на лазерном диоде

• внешняя модуляция, когда лазер генерирует постоянное по мощности оптическое излучение, а модуляция происходит во внешнем модуляторе за счет различных физических явлений. Наиболее часто используется оптический интерферометр с электрооптическим управлением.

На рис.1.1 представлен пример схемы ВОЛ, основными элементами которой являются: 1) источник оптического излучения (лазер), 2) устройство, модулирующее оптическое излучение полезным аналоговым сигналом (либо сам лазер, либо внешний модулятор), 3) оптическое волокно, 4) фотоприемник.

Рисунок 1.1 - Структурная схема волоконно-оптической линии связи с прямой (а)

и внешней модуляцией (б)

В системах ВОЛ, использующих модуляцию интенсивности оптического излучения, демодуляция осуществляется простым фотодиодом.

Известны два основных класса модуляторов - с прямой (внутренней) и внешней модуляцией.

В первом классе устройств генерация оптической несущей и модуляция одного из параметров сигнала происходят одновременно. Наиболее известным устройством из данного класса, широко применяемым в ВОЛ с полосой частот до 10 ГГц, является лазерный диод с амплитудной модуляцией тока накачки [13, 14]. Существуют экспериментальные образцы и более высокочастотных лазерных диодов с частотой модуляции до 30 ГГц [15], однако они могут генерировать только линейно частотно модулированный сигнал, а также не могут одновременно обеспечить высокую когерентность, широкую полосу и низкий фазовый шум сигнала.

Во втором классе устройств генерация сигнала отделена от его модуляции, что позволяет получить значительно более высокие характеристики ВОЛ и отдельно оптимизировать параметры ЭОМ (эффективность электрооптического

преобразования, рабочую полосу частот и др.) и лазерного источника излучения (когерентность, уровень шумов интенсивности и др.).

Таким образом в задачах с высокими требованиями к быстродействию, динамическому диапазону, уровню нелинейных искажений доминирующим видом модуляторов будут оставаться внешние модуляторы.

Еще одним параметром оптического излучения, который может быть промодулирован информационным СВЧ сигналом является фаза. Фотодетекторы не реагируют на изменения оптической фазы, поэтому для обнаружения оптическая фазовая модуляция должна быть сначала преобразована в модуляцию интенсивности, что значительно усложняет систему демодуляции, имеющую характерную нелинейную характеристику коэффициента передачи, затрудняющую использование линии с фазовой модуляции для передачи широкополосных сигналов.

Два других параметра (частота и поляризация оптического излучения) также могут использоваться для модуляции. Сразу стоит отметить, что изменение частоты связано с изменением фазы, соответственно частотная модуляции имеет такие же преимущества и недостатки, как и фазовая модуляция. Однако технически реализовать частотную модуляцию оптического излучения в СВЧ диапазоне с нужным параметром девиации частоты значительно сложнее, поэтому данный вид модуляции практически не используется на практике.

Модуляцию поляризации также может быть представлена как фазовая модуляция, в которой изменяется разность фаз между собственными ортогональными поляризационными компонентами. Данный тип модуляции легко может быть реализован с использованием электрооптических фазовых модуляторов. При этом в качестве демодулятора выступает элемент с поляризационно зависимым пропусканием (например, поляризатор) на котором две поляризационные компоненты интерферируют. Главная проблема линий с поляризационной модуляцией — это так называемый поляризационный фединг [16], связанный с дрейфом состояния поляризации в линиях на основе стандартного оптического волокна без сохранения поляризации.

1.2 Основные характеристики аналоговых ВОЛ и факторы их определяющие

1.2.1 Коэффициент передачи ВОЛ

Рассмотрим основные характеристики ВОЛ [17, 18], первой из которых является коэффициент передачи, определяющий величину усиления или ослабления сигнала при прохождении линии в зависимости от частоты (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Общая схема аналоговой волоконно-оптической линии связи с внешней модуляцией (модулятор Маха-Цендера). Процесс модуляции и демодуляции оптического излучения

В приближении малой входной мощности РЧ сигнала коэффициент передачи ggi можно записать как отношение мощности СВЧ сигнала на выходе линии к мощности на её входе. Для выражения данной величины в децибелах:

С1 = Ю1од(д1). (1.1)

Для расчёта коэффициента передачи в линиях с амплитудной модуляцией используется следующая формула:

_ 1-2

9 =

(1.2)

где ¡в - постоянная составляющая фототока, Яс1 - сопротивление нагрузки фотоприемника, К - коэффициент эффективности модуляции:

к = ], (1.3)

где т - глубина модуляции оптической мощности, Рг - мощность.

Для прямой модуляции получаем

К = . (1.4)

Эффективность модуляции пропорциональна квадрату дифференциальной эффективности лазера и обратно пропорциональна мощности постоянной составляющей в излучении лазера. Типичная величина для лазерных диодов составляет 1 - 10 W-1.

Для внешней модуляции с использованием ЭОМ МЦИ эффективность может быть записана следующим образом

К = (1.5)

При полуволновом напряжении Уп = 5 V, К = 40 W-1.

Из выражений 5 и 8 следует, что коэффициент передачи ВОЛ с внешним модулятором имеет прямую квадратичную зависимость от входной оптической мощности, но обратно пропорционален квадрату полуволнового напряжения.

Таким образом, для увеличения коэффициента передачи необходимо снижать полуволновое напряжение модулятора и повышать мощность лазера и максимальный ток фотодетектора. При этом возможно получать положительные величины коэффициента передачи [19] при увеличении постоянной составляющей оптической мощности, как показано на Рисунке 1.3.

дететора фототока,

Рисунок 1.3 - Коэффициент передачи линии с внешней модуляцией при разной

эффективности модуляции

Еще одним способом повышения коэффициента передачи является установка малошумящего усилителя на входе ЭОМ, что эквивалентно повышению коэффициента эффективности модулятора, но приводит к ухудшению нелинейных искажений системы.

В линии с прямой модуляцией что для того, чтобы увеличит коэффициент передачи необходимо увеличивать дифференциальную эффективность лазера и чувствительность фотодетектора, при этом необходимо уменьшать постоянную составляющую оптической мощности. Отметим, что в данном варианте коэффициент передачи всегда будет отрицательным.

Коэффициент передачи линии с фазовой модуляцией и демодулятором на основе ассиметричного интерферометра описывается выражением [20]:

3(1) =

ЪЪ\нрп (Я!2,

(1.6)

где з1п(шт) - положение рабочей точки демодулятора, Я и Яо - входное и выходное сопротивление, соответственно, Нрв - частотная характеристика фотодиода.

Отметим, что коэффициент передачи линии на основе фазовой модуляции и демодуляции с использованием дифференциального интерферометра имеет периодическую частотную зависимость с периодом обратно пропорциональным дифференциальному времени задержки т (Рисунок 1.4). Это обстоятельство является главным сдерживающим фактором при использовании фазовой модуляции для передачи широкополосных сигналов.

из

<и

-10

-20

-30

^ -40

Рч

-50

-60

Ршг А Г - 100 ПС

/

г = 375 ПС 1 I 1 1 1 1 1

8 10 12 14 16 18 20

Частота, ГГц

Рисунок 1.4 - Коэффициент передачи малого сигнала фазомодулированной линии с использованием МЦИ с временем задержки 100 и 375 пс [20]

Если пренебречь неидеальностью компонентов линии (фазового модулятора или фотодиода), то полоса пропускания по уровню - 3 дБ будет составлять Б3ёв = 1/2т. Однако для сигналов, у которых частота внутри полосы меняется более чем на порядок, обеспечить необходимую полосу не представляется возможным. При большом дифференциальном времени задержки невозможно обеспечить высокий коэффициент пропускания на высокочастотной границе диапазона, при низком, наоборот, на низкочастотной границе диапазона.

Следует отметить, что максимуму коэффициента пропускания соответствуют условие л^т и т имеют одинаковое значение (2п + 1)п2, где п - целое число, которые соответствуют пику РЧ характеристики и квадратурному смещению МЦИ, соответственно. При пике характеристики фазомодулированная линия, имеет РЧ усиление на 6 ёБ больше, чем линия с модуляцией интенсивности

и прямым детектирования с тем же самым средним фототоком и полуволновым напряжением модулятора Уп. Однако, система на основе фазового модулятора, использующая МЦИ для демодуляции на пике характеристик будет иметь аналогичный коэффициент однодецибельной компресии (1 дБ) при входной мощности на 6 дБ ниже, чем линия с амплитудной модуляцией с таким же Уп.

1.2.2 Источники шумов в ВОЛ

Коэффициент шума может быть определен как дополнительный шум, вносимый устройством относительно выходного уровня шума, наблюдаемого при тепловом шуме на входе и отсутствии собственных шумов.

"Р = 10^ю (17)

где В - полоса частот, к - постоянная Больцмана,

Т0 - эквивалентная температура шума (комнатная 290К).

Одним из основных источников шума в ВОЛ является относительный шум интенсивности лазера ШЫ, природа которого заключается в спонтанных излучениях в лазере.

поМДШ = IВ ' • Я1оай 'В. (1.8)

В случае фазовой модуляции данный вклад соответствует фазовому шуму лазера.

Вторым по вкладу в общий шум выступает дробовой шум на фотодетекторе

Щп = 2е1вК1оай. (1.9)

Наименьший вклад вносит выходной тепловой шум, описываемый следующим выражением

щег = кТ0В(1 + д). (1.10)

Следует отметить, что тепловой и дробовой шумы определяют фундаментальную нижнюю границу коэффициента шума и задают требования к шумам лазерного источника (Рисунок 1.5).

0.01 0.1 1 10 100

Ток дететора фототока, мА

Ток дететора фототока, мА

Рисунок 1.5 - Сопоставление различных источников шумов.

С ростом оптической мощности относительный шум интенсивности лазера становится ограничивающим общий коэффициент шума (Рисунок 1.6).

г 1 : I III! RIN excess -140 дБн/Гц 4

ill

к 150 дБн/Гц

1 i i м 1 П -160 дБн/Гц

---- !

-170 дБн/Гц

- -180 дБн/Гц

kin, шла:: ^^

_i_i_i_i к . .«i__i_i__ > i к * i___i____ .un_i_i____ i i rW

0.1 I 10 100 1000

Фототок, мА

Рисунок 1.6 - Коэффициент шума системы с внешним электрооптическим

модулятором Уп = 4 V

Как видно из Рисунка 1.5 при характерном для полупроводниковых лазеров уровне Я1Ы = -150 dBc/Hz коэффициент шума линии составляем 38 dB. Поэтому специальные меры должны быть приняты для компенсации и подавления вклада

ШЫ.

Для линии с фазовой модуляцией:

Поскольку интерферометр преобразует фазовую модуляцию в модуляцию интенсивности, он также будет преобразовать фазовый шум в шум интенсивности, что усложняет устранение лазерного шума в фазомодулированной линии. На Рисунке 1.4 показан пример частотной зависимости интенсивности лазерного шума, который подчеркивает важность выбора лазера в линии передачи с использованием фазовой модуляции и дискриминатором на основе МЦИ. Показаны данные измеренного спектра RIN для полупроводникового лазера с Av = 94kHz и волоконного лазера, легированного эрбием с Av <1 кГц, прошедшего через МЦИ с постоянной 100 пс [20]. Шум волоконного лазера ограничен дробовым шумом вследствие его узкой ширины линии. Пик в диапазоне от 1 до 2 GHz для волоконного лазера происходит из-за конкурирующей продольной моды. Полупроводниковый лазер имеет шум значительно больше предела дробового шума при прохождении МЦИ как показано на Рисунке 1.7.

Частота, ГГц

Рисунок 1.7 - Спектр шумов после прохождения интерферометра для эрбиевого лазера (серые точки) и полупроводникового лазера (черные точки) [20]

Таким образом, фазовый шум лазера (связанный с шириной линии излучения) должен быть учтен при использовании интерферометрической техники демодуляции.

1.2.3 Нелинейные искажения и динамический диапазон в ВОЛ

Нелинейные искажения в ВОЛ могут быть охарактеризованы двумя стандартными характеристиками, измеряемыми в одночастотном и двухчастотном режиме (Рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Нелинейный отклик в одночастотном (а) и двухчастотном (Ь)

режимах

Линейный динамический диапазон определяется как разница коэффициента 1дБ компрессии (уровня выходного сигнала, при котором выходная мощность отклоняется от линейного участка на 1 дБ) и уровня шума в линии (Рисунок 1.9).

СБЯ1ав = Рыв + 1 -И0Ш. (1.11)

1 с!В А Р1с)В л

г / -»-- ' 1

ОТКЛИ1 < у 1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

вых. 1 1

г \/ | ■

РЧ вх. мощность, дБм

Рисунок 1.9 - Определение линейного динамического диапазона

На Рисунке 1.10 представлена зависимость линейного динамического диапазона для линии с внешним электрооптическим модулятором, работающим в квадратуре от постоянной составляющей тока фотоприемника. Предполагается, что постоянная составляющая тока фотоприемника ниже тока насыщения [21], и нелинейные искажения вызваны только нелинейной передаточной функцией модулятора [22], у которого в квадратуре присутствуют только нечетные гармоники.

Рисунок 1.10 - Зависимость линейного динамического диапазона для линии с внешним электрооптическим модулятором

Одной из основных характеристик нелинейных искажений в системе является динамический диапазон, свободный от интермодуляционных составляющих (Рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Графическое представление динамического диапазона, свободного

от нелинейных искажений

В общем виде вычисляемый по формуле:

SFDRn = ^ [OIPn-Nout}, (1.12)

где 01 Рп - точка пересечения интермодуляционных искажений порядка n может быть определена следующим выражением

OlPn = ^ (nPF-Pn}, (1.13)

где Pn - гармоническая составляющая сигнала порядка n, PF - фундаментальная составляющая сигнала.

Аналогичное выражение можно записать для входа системы используя коэффициент передачи

IIP = ^

П 9 .

Таким образом получим

SFDRn = ^ (174 -NF + ПРп}. (1.14)

В ВОЛ с использованием внешнего ЭОМ в квадратурной рабочей точке в силу симметричности передаточной характеристики четные интермодуляционные составляющие обнуляются, и для описания нелинейности системы используются интермодуляционные составляющие третьего порядка (Рисунок 1.12).

4V*

IIP3 =

3 n2R '

(1.15)

ю

Фототок, мА

Рисунок 1.12 - Зависимость SFDRз для линии с внешним электрооптическим

модулятором Уп = 4 V

Для систем с прямой модуляцией это не так, и нелинейные искажения определяются членами 2-го порядка. Исключение составляют системы передачи относительно узкополосных сигналов, где более далеко отстоящие члены второго порядка могут быть отфильтрованы [23].

Выражение для динамического диапазона свободного от искажений 3 порядка SFDR3 определяется аналогично выражению для ВОЛ с внешней амплитудной модуляцией, с той лишь оговоркой, что основным является фазовый шум лазерного источника. Теоретические графики одночастотного SFDR3 для фазомодулированной линии показаны на Рисунке 1.13.

130

120

R

Я _

И

Ч 110

аГ Q

00

100

90

УЖ = А\/ 1 1 ШП| I >11 ■ ТТтТ ' ' ~ггтт нет RIN ч.

RIN= -180 дБн/Гц

^----" -170 дБн/Гц

^¿í^---* -160 дБн/Гц

-15 0 дБн/Гц

-140 дБн/Гц

0.1

10

Фототок, мА

100

1000

Рисунок 1.13 - Расчётные значения динамического диапазона для fu = 12, Ri = Ro = 50Q, B=1Hz, и Hpd = 1/2, V = 4V

В расчетах предполагалось, что МЦИ смещен в квадратурую точку, СВЧ выход находится на пике характеристики [sin (nfx) = 1], Ri = Ro = 50Q, Hpd = 1/2, и B = 1 Гц. При сравнении с кривыми, соответствующими линии с амплитудной модуляцией, видно, что по SFDR3 эти два типа модуляции эквивалентны.

1.3 Методы повышения характеристик аналоговых ВОЛ

1.3.1 Методы повышения коэффициента передачи

Одной из основных характеристик ВОЛ, определяющих выбор ключевых компонентов системы и возможность применения для решения конкретной задачи является коэффициент передачи, имеющий типичные значения в интервале от -20 до -30 дБ. Столь низкие значения коэффициента передачи объясняются низкой эффективностью электрооптического преобразования, происходящего в модуляторе и в меньшей степени эффективностью обратного преобразования из оптического сигнала в радиосигнал. Самым очевидным и широкораспространенным методом повышения коэффициента передачи является повышение оптической мощности в линии [24], позволяющий существенно повысить коэффициент передачи в силу его квадратичной зависимости от тока фотодетектора. Повышать оптическую мощность возможно, как повышением выходной мощности лазерного источника, так и путем установки отдельного оптического усилителя, повышающего коэффициент шума системы, в качестве которого обычно используется усилитель на основе волокна, допированного эрбием. Однако, в силу наличия нелинейных искажений при распространении сигнала в волокне (ВКР и ВРМБ) [25, 26], а также невозможностью создания высокочастотного фотоприёмника с большим током насыщения, в связи с наличием паразитной ёмкости [27] данный метод имеет фундаментальные ограничения.

Вторым методом решения данной проблемы является использование пред и пост радиочастотных усилителей. Однако, данный подход ограничивает динамический диапазон и ухудшает коэффициент нелинейных искажений системы по интермодуляциям третьего порядка №3. Так, при использовании радиочастотного усилителя после фотоприемника увеличение коэффициента передачи не приводит к соответствующему снижению коэффициента шума и слабые сигналы на входе системы будет не различимы в итоговом спектре на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петров Алексей Николаевич, 2022 год

Литературные источники

1. Ivanov S. I., Lavrov A. P., Saenko I. I. Main characteristics study of analog fiberoptic links with direct and external modulation in transmitter modules //2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). -IEEE, 2018. - P. 264-267.

2. Rodgers J. S. Technologies for RF photonics in wideband multifunction systems // 2013 IEEE Avionics, Fiber-Optics and Photonics Technology Conference (AVFOP). - IEEE, 2013. - P. 7-8.

3. Хансперджер Р. Интегральная оптика: теория и технология. Пер. с англ. — М.:Мир, 1985. — 384 с.

4. Wiberg A. Generation, modulation, and detection of signals in microwave photonic systems. - Chalmers University of Technology, 2008.

5. Chen A., Murphy E. (ed.). Broadband optical modulators: science, technology, and applications. - 2011.

6. Urick V. J. et al. Long-haul analog photonics // Journal of Lightwave Technology.

- 2011. - Vol. 29. - N. 8. - P. 1182-1205.

7. Cox C. H. et al. Limits on the performance of RF-over-fiber links and their impact on device design // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -2006. - Vol. 54. - N. 2. - P. 906-920.

8. Cox C. H., Ackerman E. I., Betts G. E. The role of photonic and electronic gain in the design of analog optical links //IEEE Conference Avionics Fiber-Optics and Photonics, 2005. - IEEE, 2005. - P. 71-72.

9. Cox C. H., Betts G. E., Johnson L. M. An analytic and experimental comparison of direct and external modulation in analog fiber-optic links //IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 1990. - Vol. 38. - N. 5. - P. 501-509.

10. Forghieri F., Tkach R. W., Chraplyvy A. R., Kaminow I. P., Koch, T. L. Optical fiber telecommunications // IIIB. London, Great Britain: Academic Press - 1997.

11. Ivanov S. I., Lavrov A. P., Saenko I. I. Application of microwave photonics components for ultrawideband antenna array beamforming //Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems. - Springer, Cham, 2016.

- P. 670-679.

12. Volkov V. A. et al. Photonic beamformer model based on analog fiber-optic links' components //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Vol. 737. - N. 1. - P. 012002.

13. Liu Z. et al. 50-GHz repetition gain switching using a cavity-enhanced DFB laser assisted by optical injection locking // Journal of Lightwave Technology. - 2020. -Vol. 38. - N. 7. - P. 1844-1850.

14. Preuschoff T. et al. Wideband current modulation of diode lasers for frequency stabilization // arXiv preprint arXiv:2203.06097. - 2022.

15. Lau K. Y. Dynamics of quantum well lasers // Quantum well lasers (A 95-14956 0236), San Diego, CA, Academic Press, Inc. - 1993. - P. 217-275.

16. Ming N. et al. Investigation of polarization-induced fading in fiber-optic interferometers with polarizer-based polarization diversity receivers // Applied optics. - 2006. - Vol. 45. - N. 11. - P. 2387-2390.

17. Иванов С. И., Лавров А. П., Саенко И. И. Характеристики сверхширокополосных радиофотонных линий передачи СВЧ сигналов // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2015. - Т. 2. - С. 294-298.

18. Урик В. Д., МакКинни Д. Д., Вилльямс К. Д. Основы микроволновой фотоники //Пер. с англ. под ред. СФ Боева, АС Сигова (М., Техносфера, 2016). - 2016. -Т. 376.

19. Betts G. E., Johnson L. M., Cox III C. H. Optimization of externally modulated analog optical links // Devices for Optical Processing. - SPIE, 1991. - Vol. 1562. -С. 281-302.

20. Urick V. J., Williams K. J., McKinney J. D. Fundamentals of microwave photonics. - John Wiley & Sons, 2015.

21. Campbell J. C. et al. High power and high linearity photodiodes for RF photonics //2013 IEEE Photonics Conference. - IEEE, 2013. - P. 186-188.

22. Karim A., Devenport J. High dynamic range microwave photonic links for RF signal transport and RF-IF conversion //Journal of Lightwave Technology. - 2008. - Vol. 26. - N. 15. - P. 2718-2724.

23. Liu G. et al. Integrated microwave photonic spectral shaping for linearization and spurious-free dynamic range enhancement //Journal of lightwave technology. -2021. - Vol. 39. - N. 24. - P. 7551-7562.

24. Marpaung D. et al. Integrated microwave photonics // Laser & Photonics Reviews.

- 2013. - Vol. 7. - №. 4. - P. 506-538.

25. Поляков А. В., Жуковский А. В. Нелинейные эффекты в оптоволоконных рециркуляционных запоминающих устройствах со спектральным уплотнением информационных каналов // Белорусский государственный университет, Минск - 2012.

26. Агровал Г. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1996. 323с.

27. Kato K. Ultrawide-band/high-frequency photodetectors // IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1999. - Vol. 47. - №. 7. - С. 1265-1281.

28. Ackerman E. I. et al. RF-over-fiber links with very low noise figure //Journal of Lightwave Technology. - 2008. - Vol. 26. - N. 15. - P. 2441-2448.

29. Ackerman E. I. et al. Signal-to-noise performance of two analog photonic links using different noise reduction techniques //2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium. - IEEE, 2007. - P. 51-54.

30. Tan Q. et al. Multi-octave analog photonic link with improved second-and third-order SFDRs //Optics Communications. - 2018. - Vol. 410. - P. 685-689.

31. Wu R. et al. Multi-order nonlinear distortions analysis and suppression in phase modulation microwave photonics link //Journal of Lightwave Technology. - 2019.

- Vol. 37. - N. 24. - P. 5973-5981.

32. Roussell H. V. et al. Gain, noise figure and bandwidth-limited dynamic range of a low-biased external modulation link //Microwave Photonics, 2007 Interntional Topical Meeting on. - IEEE, 2007. - P. 84-87.

33. Cox C. H. Analog optical links: theory and practice. - Cambridge University Press, 2006.

34. Schmidt R., Alferness R. Directional coupler switches, modulators, and filters using alternating Др techniques // IEEE Transactions on Circuits and Systems. - 1979. -Vol. 26. - №. 12. - С. 1099-1108.

35. Laliew C. et al. Synthesis of the optical modulator response // International Topical Meeting on Microwave Photonics. Technical Digest (including High Speed Photonics Components Workshop)(Cat. No. 98EX181). - IEEE, 1998. - P. 41-43.

36. Hung Y. C. Linearized electrooptic polymeric directional coupler modulator. -2007.

37. Hung Y. C. et al. Experimental demonstration of a linearized polymeric directional coupler modulator //IEEE Photonics Technology Letters. - 2007. - Vol. 19. - N. 21. - P. 1762-1764.

38. Hung Y. C., Fetterman H. R. Polymer-based directional coupler modulator with high linearity //IEEE photonics technology letters. - 2005. - Vol. 17. - N. 12. - P. 25652567.

39. Hung Y. C. et al. Demonstration of polymer-based directional coupler modulator with high linearity //Conference on Lasers and Electro-Optics. - Optica Publishing Group, 2007. - P. CThD4.

40. Zhang A. et al. Phase stabilized downlink transmission for wideband radio frequency signal via optical fiber link //Optics express. - 2014. - Vol. 22. - N. 18. - P. 2156021566.

41. Davydov R. V. et al. Fiber-optic transmission system for the testing of active phased antenna arrays in an anechoic chamber //Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems. - Springer, Cham, 2017. - P. 177-183.

42. Pappert S. A. RF photonics: Status, challenges and opportunities //2011 IEEE Avionics, Fiber-Optics and Photonics Technology Conference. - IEEE, 2011. - P. 7-8.

43. Esman R. et al. Photonics for microwave generation, transmission, and processing //Optical Fiber Communication Conference. - Optical Society of America, 2009. -Q OTuE5.

44. Sisto M. M., LaRochelle S., Rusch L. A. Gain optimization by modulator-bias control in radio-over-fiber links // Journal of lightwave technology. - 2006. - Vol. 24. - №. 12. - P. 4974-4982.

45. Sezgin I. C. et al. Effect of VCSEL characteristics on ultra-high speed sigma-delta-over-fiber communication links //Journal of Lightwave Technology. - 2019. - Vol. 37. - N. 9. - P. 2109-2119.

46. Yu J. et al. Transmission of microwave-photonics generated 16Gbit/s super broadband OFDM signals in radio-over-fiber system //Optical Fiber Communication Conference. - Optical Society of America, 2008. - P. OThP2.

47. Lau K. Y., Lutes G. F., Tjoelker R. L. Ultra-stable RF-over-fiber transport in NASA antennas, phased arrays and radars //Journal of Lightwave Technology. - 2014. -Vol. 32. - N. 20. - P. 3440-3451.

48. Droste S. et al. Optical frequency dissemination for metrology applications // Comptes Rendus Physique. - 2015. - Vol. 16. - N. 5. - P. 524-530.

49. Urick V. J. et al. Wideband (0.045-6.25 GHz) 40 km analogue fibre-optic link with ultra-high (> 40 dB) all-photonic gain // Electronics Letters. - 2006. - Vol. 42. - №2. 9. - P. 1.

50. Rajan G. (ed.). Optical fiber sensors: advanced techniques and applications. - CRC press, 2017.

51. Romero M. A., Cerqueira S. A. Microwave-photonics and WDM-PON Fronthaul for 5G mobile systems: research activities in Brazil //2019 49th European Microwave Conference (EuMC). - IEEE, 2019. - P. 268-271.

52. Tsokos C. et al. Enabling photonic integration technology for microwave photonics in 5G systems //2017 19th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). - IEEE, 2017. - P. 1-4.

53. Al-Raweshidy H., Komaki S. (ed.). Radio over fiber technologies for mobile communications networks. - Artech House, 2002.

54. Waterhouse R., Novack D. Realizing 5G: Microwave photonics for 5G mobile wireless systems // IEEE Microwave Magazine. - 2015. - Vol. 16. - №. 8. - P. 8492.

55. Lebedev V. V. et al. The influence of the current-carrying electrode material on the characteristics of integral optical microwave modulators // Technical Physics Letters. - 2014. - Vol. 40. - №. 9. - P. 743-746.

56. Yasui T., Ohwaki, J., Mino M., Sakai T. Stable 2W Optical Powering System // IEEE 28th PVSC, Alaska, USA, Sept. 2000. - 2000.

57. Basanskaya A. Electricity over Glass [fiber optic to transfer electric power] // IEEE Spectrum. - 2005. - Vol. 42. - №. 10. - P. 18-18.

58. Cohen M. Power-over-fibre drives remote data exchange // OPTO and Laser Europe. - 2006. - P. 27-29.

59. Hou V. T. Update on Interim Results of Fiber Optic System Field Failure Analysis // Proc. NFOEC. - 1991. - Vol. 1. - P. 539-545.

60. Werthen J. G. Powering next generation networks by laser light over fiber //Optical Fiber Communication Conference. - Optical Society of America, 2008. - P. OWO3.

61. Dumke M. et al. Power transmission by optical fibers for component inherent communication //Journal of Systemics, Cybernetics and Informatics. - 2010. - Vol. 8. - N. 1. - P. 55-60.

62. Zediker, M. S., Rinzler, C. C., Faircloth, B. O., Moxley, J. F. Optical fiber cable for transmission of high power laser energy over great distances. U.S. Patent No. 9,347,271. 2016.

63. Karady G. G. et al. Experimental verification of the proposed IEEE performance and testing standard for ADSS fiber optic cable for use on electric utility power lines //IEEE transactions on power delivery. - 2005. - Vol. 21. - N. 1. - P. 450-455.

64. Al-Ammar E., Karady G. G., Tuominen M. W. Impacts of the induced current on the aging of the ADSS fiber optic cables //2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting. - IEEE, 2006. - P. 7 pp.

65. Lopez-Cardona J. D. et al. Remote optical powering using fiber optics in hazardous environments //Journal of Lightwave Technology. - 2018. - Vol. 36. - N. 3. - P. 748-754.

66. Tajima N., drosteiyama D., Matsuura M. 150-Watt power-over-fiber feed for bidirectional radio-over-fiber systems using a double-clad fiber // Optical Fiber Communication Conference. - Optical Society of America, 2019. - P. W1I. 7.

67. Matsuura M., Furugori H., Sato J. 60 W power-over-fiber feed using double-clad fibers for radio-over-fiber systems with optically powered remote antenna units //Optics letters. - 2015. - Vol. 40. - N. 23. - P. 5598-5601.

68. Дианов Е. М. и др. Катастрофическое разрушение волоконных световодов различного состава под действием лазерного излучения //Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. - №. 6. - С. 476-478.

69. Буфетов И. А., Дианов Е. М. Оптический разряд в волоконных световодах //Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175. - №. 1. - С. 100-103.

70. Dianov E. M. et al. Fiber fuse effect in microstructured fibers //IEEE Photonics Technology Letters. - 2004. - Vol. 16. - N. 1. - P. 180-181.

71. Mizuno Y. et al. Observation of polymer optical fiber fuse //Applied Physics Letters. - 2014. - Vol. 104. - Т. 4. - З. 17_1.

72. Harmon R. A. Polarisation stability in long lengths of monomode fibre //Electronics Letters. - 1982. - Vol. 24. - N. 18. - P. 1058-1060.

73. Froggatt M. E. et al. Characterization of polarization-maintaining fiber using high-sensitivity optical-frequency-domain reflectometry // Journal of lightwave technology. - 2006. - Vol. 24. - №. 11. - P. 4149-4154.

74. Ильичев И. В., Тогузов Н. В., Шамрай А. В. Плазмон-поляритонный поляризатор на поверхности канальных одномодовых волноводов в ниобате лития // Письма в ЖТФ. - 2009. - Vol. 35. - №. 17. - P. 97-103.

75. Zervas M. N. Surface plasmon-polariton fiber-optical polarizers using thin-nickel films //IEEE Photonics Technology Letters. - 1990. - Vol. 2. - N. 4. - P. 253-256.

76. Walker N. G., Walker G. R. Polarization control for coherent communications // Journal of Lightwave Technology. - 1990. - Vol. 8. - №. 3. - P. 438-458.

77. Kitayama K., Maruta A., Yoshida Y. Digital coherent technology for optical fiber and radio-over-fiber transmission systems // Journal of lightwave technology. -2014. - Vol. 32. - №. 20. - P. 3411-3420.

78. Tharshini G. et al. An adaptive modified decision-directed algorithm for electronic polarization control in coherent QPSK optical transmission //2013 IEEE 8th International Conference on Industrial and Information Systems. - IEEE, 2013. - P. 228-230.

79. Yan L. S. et al. Simultaneous monitoring of both optical signal-to-noise ratio and polarization-mode dispersion using polarization scrambling and polarization beam

splitting //Journal of lightwave technology. - 2005. - Vol. 23. - N. 10. - P. 32903294.

80. Kersey A. D., Marrone M. J., Dandridge A. Analysis of input-polarization-induced phase noise in interferometric fiber-optic sensors and its reduction using polarization scrambling // Journal of lightwave technology. - 1990. - Vol. 8. - №. 6. - P. 838845.

81. Polarization controllers, Phoenix Photonics, URL: http://www.phoenixphotonics.com/website/products/Polarization_controller_produ ct_tree.htm

82. Polarization in fiber optics, Newport Corporation, URL: https://www.newport.com/t/polarization-in-fiber-optics,

83. Lithium niobate polarization controller, Hamamatsu Photonics, URL: http://www.hanamuraoptics.com/device/EOSPACE/PC030123_EO.pdf

84. Aarts W. H. J., Khoe G. D. New endless polarization control method using three fiber squeezers // Journal of lightwave technology. - 1989. - Vol. 7. - №. 7. - P. 1033-1043.

85. Burns W. K. et al. Depolarized source for fiber-optic applications // Optics letters. -1991. - Vol. 16. - №. 6. - P. 381-383.

86. https://_www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/SMF-

28%20Ultra. pdf

87. Bracewell R. N., Bracewell R. N. The Fourier transform and its applications. - New York : McGraw-Hill, 1986. - Vol. 31999. - P. 267-272.

88. Schmuck H. Comparison of optical millimetre-wave system concepts with regard to chromatic dispersion // Electronics Letters. - 1995. - Vol. 31. - №. 21. - P. 18481849.

89. Okoshi T. Polarization-state control schemes for heterodyne or homodyne optical fiber communications // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1985. - Vol. 32. - №. 12. - P. 2624-2629.

90. Бельчиков С. Коэффициент шума. Теория и практика измерений // Компоненты и технологии. - 2008. - №. 82. - P. 174-178.

91. Основы измерения коэффициента шума в радиочастотном и микроволновом диапазонах // Заметки по применению. Keysight Technologies

92. Измерение коэффициента шума методом Y-фактора Указания по применению URL: https://www. rohde-schwarz.com/applications/the-y-factor-technique-for-noise-figure-measurements-application-note_56280- 15484.html

93. Измерение интермодуляционных искажений на современных анализаторах спектра. Указания по применению. URL: https: //rohdeschwarz. su/pics/Измерение%20интермодуляционных%20искажен ий%20на%20современных%20анализаторах%20спектра.pdf

94. Islam M. S. et al. Distributed balanced photodetectors for broad-band noise suppression // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 1999. -Vol. 47. - №. 7. - P. 1282-1288.

95. Martinelli M., Martelli P., Pietralunga S. M. Polarization stabilization in optical communications systems // Journal of lightwave technology. - 2006. - Vol. 24. -№. 11. - P. 4172-4183.

96. Агравал Г.П. Нелинейная волоконная оптика, - Мир, 1996, 324 с.

97. Chraplyvy A. R. Limitations on lightwave communications imposed by optical-fiber nonlinearities //Journal of Lightwave Technology. - 1990. - Vol. 8. - N. 10. - P. 1548-1557.

98. Phillips M. R., Ott D. M. Crosstalk due to optical fiber nonlinearities in WDM CATV lightwave systems //Journal of Lightwave Technology. - 1999. - Vol. 17. -N. 10. - P. 1782.

99. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics: its history and recent progress // JOSA B. -2011. - Vol. 28. - №. 12. - P. A1-A10.

100. Nishizawa N. et al. Characteristics of guided acoustic wave Brillouin scattering in polarization maintaining fibers // Optical Review. - 1996. - Vol. 3. - №. 1. - P. 2933.

101. Williams D., Bao X., Chen L. Effects of polarization on stimulated Brillouin scattering in a birefringent optical fiber // Photonics Research. - 2014. - Vol. 2. -№. 5. - P. 126-137.

102. Ursini L., Santagiustina M., Palmieri L. Polarization-dependent Brillouin gain in randomly birefringent fibers //IEEE Photonics Technology Letters. - 2010. - Vol. 22. - N. 10. - P. 712-714.

103. Faugeron M. et al. High-Power, Low RIN 1.55-mu rm m Directly Modulated DFB Lasers for Analog Signal Transmission // IEEE Photonics Technology Letters. -2011. - Vol. 24. - №. 2. - P. 116-118.

104. Parfenov M. et al. Simulation of Ti-indiffused lithium niobate waveguides and analysis of their mode structure // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Vol. 741. - №. 1. - P. 012141.

105. Parfenov M. V. et al. Photorefractive correction of the coupling ratio of an integrated optical directional X-coupler on a lithium niobate substrate // Technical Physics Letters. - 2019. - Vol. 45. - №. 3. - P. 187-189.

106. Parfenov M. et al. Precise correction of integrated optical power splitters based on lithium niobate substrates by photorefractive effect local excitation // Applied Physics B. - 2020. - Vol. 126. - №. 5. - P. 1-8.

107. Kolner B. H., Dolfi D. W. Intermodulation distortion and compression in an integrated electrooptic modulator // Applied Optics. - 1987. - Vol. 26. - №. 17. - P. 3676-3680.

108. Ackerman E. et al. Maximum dynamic range operation of a microwave external modulation fiber-optic link // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 1993. - Vol. 41. - №. 8. - P. 1299-1306.

109. Li J. et al. Third-order intermodulation distortion elimination of microwave photonics link based on integrated dual-drive dual-parallel Mach-Zehnder modulator //Optics Letters. - 2013. - Vol. 38. - N. 21. - P. 4285-4287.

110. Farwell M. L., Chang W. S. C., Huber D. R. Increased linear dynamic range by low biasing the Mach-Zehnder modulator // IEEE Photonics Technology Letters. - 1993. - Vol. 5. - №. 7. - P. 779-782.

111. Nichols L. T., Williams K. J., Estman R. D. Optimizing the ultrawide-band photonic link // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 1997. - Vol. 45. -№. 8. - P. 1384-1389.

112. Zhang X., Mitchell A. A simple black box model for erbium-doped fiber amplifiers // IEEE photonics technology letters. - 2000. - Vol. 12. - №. 1. - P. 28-30.

113. Parfenov M. V. et al. Photorefractive correction of the coupling ratio of an integrated optical directional X-coupler on a lithium niobate substrate //Technical Physics Letters. - 2019. - Vol. 45. - N. 3. - P. 187-189.

145

Приложение А

(обязательное) Методика экспериментальных исследований линии

Блок схема системы трансляции радиосигналов представлена на Рисунке А. 1.

СВЧ выход

Рисунок А.1 - Блок схема ВОЛ с удаленным модулятором: Л - поляризационно-

независимый лазерный источник, М - интегрально-оптический модулятор, РТ - оптоэлектронный блок управления рабочей точкой модулятора, ФП - блок

балансного фотоприемника

Был исследован макет волоконно-оптической линии передачи СВЧ сигналов с внешним амплитудным модулятором и прямым детектированием. Общая схема такой линии показана на Рисунке А.2.

Рисунок А.2 - Схема волоконно-оптической линии связи с внешним модулятором

и прямым детектированием

Состав макета волоконно-оптической линии:

- Лазер (РОС лазер EM650 фирмы Gooch&Housego), имеющий существенно более высокие характеристики (Р = 100 мВт, RIN = -163 дБ/Гц), по сравнению со стандартными телекоммуникационными лазерными диодами.

- Два вида внешних амплитудных модулятора

Один из лучших коммерчески доступных модуляторов на ниобате лития (AX-0MKS-20-PFA-SFA-LV фирмы EOspace, Vn « 3,5 В). Оригинальный модулятор, изготовленный в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Vn « 7 В).

- Лабораторный источник постоянного напряжения использовался для ручной установки рабочей точки.

- Фотоприёмник (PIN фотодиод EM530-03 фирмы Gooch&Housego) с полосой частот 10 ГГц и повышенным током насыщения 100 мА.

- Малошумящий СВЧ усилитель (изготовлен в СВЧ-Радиосистемы) Использование уникальных компонентов (лазера и фотоприемника)

позволяет оценить возможность достижения теоретических пределов.

Измерительное оборудование:

- анализатор спектра и сигналов R&S FSW13

- генератор сигналов Agilent E4422B

- генератор сигналов Keysight E8267D

- источник шума Noisecom NC346KA

- измеритель оптической мощности JDSU OLP-38

Рисунок А.3 - Схема калибровки измерительного устройства

Измерения коэффициента шума и коэффициента передачи проводились методом Y-фактора с коррекцией второго каскада. Данный метод основан на понятии шумовой температуры и линейных свойствах тепловых шумов. Для того чтобы произвести коррекцию второго каскада (убрать шумы измерительного устройства) была проведена калибровку (Рисунок А.3). К анализатору спектра подключается источник шума, и производятся измерения шума при включенном и выключенном источнике шума. Затем между источником шума и анализатором спектра включалась исследуемая волоконно-оптическая линия (Рисунок А.4.), при этом на входе модулятора использовался малошумящий СВЧ усилитель, так как без него анализатор выводил некорректные результаты. Это можно объяснить маленьким коэффициентом передачи самой линии. Дополнительно были измерены коэффициент шума и коэффициент передачи данного усилителя (Рисунок А.5). Малошумящий усилитель работает в полосе частот до 2 ГГц, имеет коэффициент передачи 24 - 25 дБ и коэффициент шума 2 - 3 дБ.

Рисунок А.4 - Схема измерения коэффициент шума и коэффициент передачи волоконно-оптической линии с внешним модулятором

Рисунок А.5 - Графики зависимости коэффициента передачи и коэффициента

шума МШУ от частоты

Для определения 01Р3 использовался двухтональный метод. На вход линии подавались два одинаковых по мощности непрерывных гармонических сигнала, разнесенных на некоторую частоту. Затем измерялся спектр СВЧ сигнала на выходе линии (Рисунок А.6), далее рассчитывался 01Р3.

Рисунок А.6 - Спектр сигнала на выходе линии при двухтональном методе

01Рз = Ртопе +

(А.1)

Рисунок А.7 - Схема измерения точки пересечения третьего порядка

Схема измерений показана на Рисунке А.7. На сумматор мощности подавались два синусоидальных сигнала на частотах f = 999,8 МГц и Г = 1000,2 МГц. Мощность этих сигналов подбиралась таким образом, чтобы мощность основной гармоники на выходе линии равнялась -30 дБм. Для обоих модуляторов были сняты спектры сигналов на выходе линии как в случае, когда рабочая точка находилась в квадратуре, так и при других рабочих точках.

На Рисунке А.8 и Рисунке А.9 приведены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента передачи и коэффициента шума для линий с разными модуляторами и МШУ на входе.

Рисунок А.8 - Частотная зависимость коэффициента передачи

Рисунок А.9 - Частотная зависимость коэффициента шума

Как видно из Рисунков А.8 и А.9 в интересующем спектральном диапазоне частотная характеристика МШУ главным образом определяет частотные характеристики линии. И модулятор, и фотоприемник имели значительно более широкую спектральную полосу. Из измеренных характеристик коэффициента передачи коэффициента шума (КБ) точки пересечения третьего порядка (01Р3) рассчитывался динамический диапазон линии (SFDRз).