微波光子器件的特性

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1、1.引言transferfunction（传递函数）更正dimision量纲在微波光子学中，由于许多原因，精确的微波、光电和光器件特性是很重要的。以微波滤波器为例，我们需要通过S参数测量和验证它是否符合插入和回波损耗规范。其它一些测量是为了达到诊断的目的，比如利用光时域反射计来确定接头和中断的位置。还有一些测量可以用来建模，比如，偏置减法技术可以用来获得构建激光二极管的小信号模型使用的阻尼系数和共振频率。反过来，精确的建模对需要验证设计的集成光电电路的设计是十分重要的。本章的目的就是对构成微波光子应用的器件进行简单介绍。重点是这

2、些器件对微波信号或者调制光信号的响应。尽管相干检测已经应用在微波光子学忠，但是大部分的链路使用的仍然是强度调制和直接检测（IM/DD）。因此我们还是使用IM/DD光纤链路来讲述测量“问题”以及解释测量方法。这种链路一般用来传输数字数据，数据传输速率一般在Gb/s以上。在这种情况下，一个重要的性能指示就是误码率（BER），同时我们也很关心一些有价值的相关数据比如上升时间和检测工具眼图。然而。误码率(BER)仅能指示出整个系统的性能，在观察单个器件对系统的影响时作用有限。当使用多Gb/s的比特率时（频率很高时），必须考虑由反射引起的

3、衰落并且可以很好的表征模拟性能（比如反射系数）。而且，纯模拟链路被广泛应用（比如远程天线选址）。因此我们主要关注模拟参数的测量。（attenuation衰减dispersion色散）即使不考虑数字信号方面，需要考虑的问题还是多方面的。在某种意义上来说，这里有频率的“混合”，也就是微波和光。在这些器件的电磁频谱具有相似性，但他们还可以表现出明显不同的物理现象。微波信号在光波导中的特性不同于微波波导中的。（[4]Y.Weissman,OpticalNetworkTheory,ArtechHouse,Norwood,MAUSA,199

4、2.）比如，在光波频率会与电介质材料发生强烈作用，引起波长漂移（也就是拉曼散射）。另一个重要的考虑因素是光场的偏振状态，因此偏振态可以被光学器件改变，导致检测到的光发生变化。单模光纤表现出随即双折射，导致偏振状态随光纤长度发生改变。结果是在接收机的两个正交偏振之间产生了一个延迟，从而导致偏振模色散。其它的考虑因素，具体涉及到光源。激光并不是纯净的单色，加上光纤中的色散与有限线宽导致脉冲展宽。或许在微波光子学测量中更需考虑的是光源的相干长度和光学器件尺寸之间的关系。尽管微波源的相关长度比器件尺寸大好几个数量级，但是光学比如激光实际

5、上在一些情形中可以与器件尺寸相比拟。这将在以后进行验证。我们回到图10.1，光学、光线和光接收机的级联就是一个基本的微波二端口网络，其中figureofmerit包括回波损耗，插入损耗，噪声系数和非线性测量。对纯电器件的小信号，大信号以及噪声系数测量技术在微波频段已经建立得很好了，因此这方面我们不会深入很深。我们的兴趣在组成链路的单个光器件和光电器件的响应测量方面。光线本身，一些figuresofmerit和微波工程听起来很相似，一个很好的例子就是光纤衰减。即使这样，在定义分贝和2dB带宽时和微波还是不同。例如，一个静态光电流特

6、性的激光二极管，当在阈值电流以上时，其光功率与驱动电流成正比。正弦调制导致了光功率的正弦变化，它可以用一个光载波叠加一对边带来错略建模。如果采用典型的1550nm（频率大概为200THZ）波长的光通信，并假定光器件具有高Q值，那么这些边带将遭遇和光载波差不多相同的损耗和色散。这就是光纤轮廓平衰减的原因如图10.2.而且光功率轮廓的变化将转换成响应的检测到的电流变化。因此，光功率变化与电流成正比，这与电功率与电流的平方定理不同，导致了在光和电分贝的不同。当调制频率发生变化时，光波长、调制频率、光纤长度、以及光纤中的单模色散都将影响

7、测得的光电流。在这种情况下，调剂不会经历与载波相同的光学效应。色散在频率响应方面产生0值如图10.3所示。这样我们得不到准确的衰减，这样我们对调制光功率测量的有效性产生了怀疑。The‘positive’side被调制光信号确实依赖调制微波的频率。有时候微波响应并不是我们想要的，如图所示的色散导致的功率衰减。但是有时候，用全光微波滤波器时，我们故意产生这种响应。因此，与纯微波时相同，也需要对光器件的微波响应就行校准测量。到目前为止我们讨论的二端口器件是同性质的，不是E/E器件就是O/O器件。E表示微波频率的电信号，O表示功率在微波

8、频段被调制的光信号。在链路中，这两种域之间需要转换：可以由E/0和O/E转换器很好的实现。对整个链路来说这些器件的微波响应是很重要的。一个E/O器件的例子就是直接调制激光二极管。这个器件一般具有低输入阻抗，需要阻抗匹配来阻止有害的微波发射。在光端口需要隔离以阻止