光探测器非线性的物理成因与相关RoF调制技术

发布时间：2020-04-26 08:11

【摘要】：随着激光测距、光载无线(Radio over Fiber,RoF)通信等技术的兴起和发展,光探测器的非线性越来越受到人们的重视。该特性在光探测器的系统应用中既有有利的一面也有不利的一面,例如:在RoF系统中,利用光探测器输出光电流随偏压的变化,仅用一个光探测器在完成光电探测的同时实现信号调制,有效地降低了系统成本;而在传统高保真模拟通信系统中,光探测器的非线性将导致系统响应度下降、带宽减小,影响通信质量和容量。在兴利除弊的过程中,对光探测器非线性的物理成因及其应用的研究是非常重要的。本论文基于以上问题,首先对光探测器非线性的物理成因进行了较为深入的研究,推导了InP基PIN光探测器的输运方程,研究了引起光探测器非线性的内部效应与外部因素之间的联系;然后探索光探测器的非线性在RoF系统中的应用,对光探测器偏压调制技术进行了系统的研究,包括公式推导、数值仿真和实验测量。本论文取得的主要研究成果和创新点如下:1.依据光探测器输运方程的一般形式,推导了InP基PIN光探测器的输运方程,并得出了其保持线性的条件:(1)载流子速度与载流子密度无关;(2)扩散电流与载流子密度呈线性关系;(3)简化或忽略复合条件。2.对光探测器非线性的物理成因进行了较为系统地研究,建立了引起光探测器非线应的主要内部效应与外部参数之间的联系,并绘制出了一张关系图。3.研究了光探测器的非线性在RoF系统中的应用,重点研究了光探测器偏压调制技术,其中首次对PIN光探测器偏压调制技术进行了研究。首先推导了PIN光探测器和单行载流子(Uni-Travelling-Carrier,UTC)光探测器在偏压调制下的输出电流表达式。然后用ATLAS和MATLAB仿真工具进行了数值仿真。仿真结果证明:当入射光功率为2.93dBm时,PIN光探测器(偏压为0.5V时,带宽约为13GHz)在10GHz副载波信号上的调制带宽约为800MHz,UTC光探测器(偏压为0V时,带宽约为175GHz)在150GHz副载波信号上的调制带宽约为1 8.75GHz。4.研究了影响光探测器偏压调制效果的因素。仿真结果表明:限制偏压调制带宽的主要原因是基频信号的谐波功率随调制频率的增大而增大,与已调信号产生混叠,造成波形失真。此外调制带宽也与入射光功率有关,增大入射光功率可以有效增大调制带宽,如:当入射光功率增大到12.93dBm时,前述UTC光探测器的调制带宽达到了25GHz。影响偏压调制深度的主要因素是偏压调制信号的低电压,适当降低低电压可以增大调制深度。5.搭建实验系统对PIN光探测器偏压调制技进行了实验验证。实验过程中将副载波频率设为1GHz,偏压调制信号频率设为100MHz。研究发现当偏压调制信号幅度为1V,直流偏置为-3V时可以得到最佳调制效果。同时搭建实验系统对UTC光探测器偏压调制技术进行实验验证。首先测量了UTC光探测器的I-V曲线,确定了输出光电流随偏压线性变化的区间是-0.5～-0.3V;然后将脉宽1ms,占空比50%,基准电压-0.5V,脉冲峰值0V的矩形脉冲信号加载到光探测器的偏置端对输出光电流进行调制。结果显示,输出光电流包络与输入偏压调制信号一致。
【图文】：

原理图,原理图,光探测器

再将这些电信号经过放大电路放大到足够高的电平，传送到。而光探测器是光接收机的核心器件，因此其性能的优劣直接质量的好坏。逡逑测器的主要性能指标有响应度、量子效率、３ｄＢ带宽、ｌｄＢ压点等，其中ｌｄＢ压缩电流、三阶交调点都反映了光探测器的非线光探测器的非线性对提高光通信系统的性能至关重要。逡逑测器的工作原理逡逑信系统中常用的光探测器有ＰＩＮ光探测器、ＵＴＣ光探测器、雪）等，其中，ＰＩＮ光探测器是最常见、结构最简单和使用最广面我们就以ＰＩＮ光探测器为例，分析光探测器的的基本工作探测器分为三层，即在普通光电二极管的ｐ区和ｎ区之间增加示。在中间的ｉ区，由于掺杂浓度很低，材料接近本征，在加，整个ｉ区都是耗尽区。逡逑

示意图,三阶,电流,示意图

此时输出光电流不再随着输入光功率的增大而线性增大，其输出功率要低于逡逑根据小信号增益所预计的值。通常情况下，我们把信号实际增益下降到比线性预逡逑计增益低１邋ｄＢ时的输出光电流的值定义为１邋ｄＢ压缩电流（或称饱和电流），，如图２－２逡逑所示。若输入的光信号是未经过调制的，则称为直流饱和，反之，若输入调制后逡逑的光信号，则称为交流饱和。通常情况下，交流饱和点的电流值要比直流饱和点逡逑电流值小，其对应的输入光功率也要小。逡逑产ｓ邋NB、逡逑１邋／１．逡逑茶逦／邋：逦ｌｄＢ逡逑＼ＺｌＬ逡逑输入功率（Ｗ）逡逑图２－２邋ｌｄＢ压缩电流示意图逡逑？三阶交调点（０ＩＰ３）逡逑光探测器的非线性是指由于光探测器的非线性效应，光探测器对经过调制的逡逑输入光信号的响应不仅包含原来的调制频率分量，还出现了一些新的频率成分，逡逑包括各频率的倍频、和频、差频信号，以及这些信号彼此之间继续纟邋１１合出的其它逡逑频率信号，从而导致输出信号失真。这个失真包括谐波失真（Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，逡逑即倍频信兮）和互调失Ｗ（丨ｎｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN36

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