【摘要】：隨著激光測(cè)距、光載無線(Radio over Fiber,RoF)通信等技術(shù)的興起和發(fā)展,光探測(cè)器的非線性越來越受到人們的重視。該特性在光探測(cè)器的系統(tǒng)應(yīng)用中既有有利的一面也有不利的一面,例如:在RoF系統(tǒng)中,利用光探測(cè)器輸出光電流隨偏壓的變化,僅用一個(gè)光探測(cè)器在完成光電探測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制,有效地降低了系統(tǒng)成本;而在傳統(tǒng)高保真模擬通信系統(tǒng)中,光探測(cè)器的非線性將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)度下降、帶寬減小,影響通信質(zhì)量和容量。在興利除弊的過程中,對(duì)光探測(cè)器非線性的物理成因及其應(yīng)用的研究是非常重要的。本論文基于以上問題,首先對(duì)光探測(cè)器非線性的物理成因進(jìn)行了較為深入的研究,推導(dǎo)了InP基PIN光探測(cè)器的輸運(yùn)方程,研究了引起光探測(cè)器非線性的內(nèi)部效應(yīng)與外部因素之間的聯(lián)系;然后探索光探測(cè)器的非線性在RoF系統(tǒng)中的應(yīng)用,對(duì)光探測(cè)器偏壓調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,包括公式推導(dǎo)、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。本論文取得的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.依據(jù)光探測(cè)器輸運(yùn)方程的一般形式,推導(dǎo)了InP基PIN光探測(cè)器的輸運(yùn)方程,并得出了其保持線性的條件:(1)載流子速度與載流子密度無關(guān);(2)擴(kuò)散電流與載流子密度呈線性關(guān)系;(3)簡(jiǎn)化或忽略復(fù)合條件。2.對(duì)光探測(cè)器非線性的物理成因進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究,建立了引起光探測(cè)器非線應(yīng)的主要內(nèi)部效應(yīng)與外部參數(shù)之間的聯(lián)系,并繪制出了一張關(guān)系圖。3.研究了光探測(cè)器的非線性在RoF系統(tǒng)中的應(yīng)用,重點(diǎn)研究了光探測(cè)器偏壓調(diào)制技術(shù),其中首次對(duì)PIN光探測(cè)器偏壓調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究。首先推導(dǎo)了PIN光探測(cè)器和單行載流子(Uni-Travelling-Carrier,UTC)光探測(cè)器在偏壓調(diào)制下的輸出電流表達(dá)式。然后用ATLAS和MATLAB仿真工具進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果證明:當(dāng)入射光功率為2.93dBm時(shí),PIN光探測(cè)器(偏壓為0.5V時(shí),帶寬約為13GHz)在10GHz副載波信號(hào)上的調(diào)制帶寬約為800MHz,UTC光探測(cè)器(偏壓為0V時(shí),帶寬約為175GHz)在150GHz副載波信號(hào)上的調(diào)制帶寬約為1 8.75GHz。4.研究了影響光探測(cè)器偏壓調(diào)制效果的因素。仿真結(jié)果表明:限制偏壓調(diào)制帶寬的主要原因是基頻信號(hào)的諧波功率隨調(diào)制頻率的增大而增大,與已調(diào)信號(hào)產(chǎn)生混疊,造成波形失真。此外調(diào)制帶寬也與入射光功率有關(guān),增大入射光功率可以有效增大調(diào)制帶寬,如:當(dāng)入射光功率增大到12.93dBm時(shí),前述UTC光探測(cè)器的調(diào)制帶寬達(dá)到了25GHz。影響偏壓調(diào)制深度的主要因素是偏壓調(diào)制信號(hào)的低電壓,適當(dāng)降低低電壓可以增大調(diào)制深度。5.搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)PIN光探測(cè)器偏壓調(diào)制技進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中將副載波頻率設(shè)為1GHz,偏壓調(diào)制信號(hào)頻率設(shè)為100MHz。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏壓調(diào)制信號(hào)幅度為1V,直流偏置為-3V時(shí)可以得到最佳調(diào)制效果。同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)UTC光探測(cè)器偏壓調(diào)制技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先測(cè)量了UTC光探測(cè)器的I-V曲線,確定了輸出光電流隨偏壓線性變化的區(qū)間是-0.5～-0.3V;然后將脈寬1ms,占空比50%,基準(zhǔn)電壓-0.5V,脈沖峰值0V的矩形脈沖信號(hào)加載到光探測(cè)器的偏置端對(duì)輸出光電流進(jìn)行調(diào)制。結(jié)果顯示,輸出光電流包絡(luò)與輸入偏壓調(diào)制信號(hào)一致。
【圖文】：

再將這些電信號(hào)經(jīng)過放大電路放大到足夠高的電平，傳送到。而光探測(cè)器是光接收機(jī)的核心器件，因此其性能的優(yōu)劣直接質(zhì)量的好壞。逡逑測(cè)器的主要性能指標(biāo)有響應(yīng)度、量子效率、３ｄＢ帶寬、ｌｄＢ壓點(diǎn)等，其中ｌｄＢ壓縮電流、三階交調(diào)點(diǎn)都反映了光探測(cè)器的非線光探測(cè)器的非線性對(duì)提高光通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。逡逑測(cè)器的工作原理逡逑信系統(tǒng)中常用的光探測(cè)器有ＰＩＮ光探測(cè)器、ＵＴＣ光探測(cè)器、雪）等，其中，ＰＩＮ光探測(cè)器是最常見、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單和使用最廣面我們就以ＰＩＮ光探測(cè)器為例，分析光探測(cè)器的的基本工作探測(cè)器分為三層，即在普通光電二極管的ｐ區(qū)和ｎ區(qū)之間增加示。在中間的ｉ區(qū)，由于摻雜濃度很低，材料接近本征，在加，整個(gè)ｉ區(qū)都是耗盡區(qū)。逡逑

此時(shí)輸出光電流不再隨著輸入光功率的增大而線性增大，其輸出功率要低于逡逑根據(jù)小信號(hào)增益所預(yù)計(jì)的值。通常情況下，我們把信號(hào)實(shí)際增益下降到比線性預(yù)逡逑計(jì)增益低１邋ｄＢ時(shí)的輸出光電流的值定義為１邋ｄＢ壓縮電流（或稱飽和電流），，如圖２－２逡逑所示。若輸入的光信號(hào)是未經(jīng)過調(diào)制的，則稱為直流飽和，反之，若輸入調(diào)制后逡逑的光信號(hào)，則稱為交流飽和。通常情況下，交流飽和點(diǎn)的電流值要比直流飽和點(diǎn)逡逑電流值小，其對(duì)應(yīng)的輸入光功率也要小。逡逑產(chǎn)ｓ邋NB、逡逑１邋／１．逡逑茶邐／邋：邐ｌｄＢ逡逑＼ＺｌＬ逡逑輸入功率（Ｗ）逡逑圖２－２邋ｌｄＢ壓縮電流示意圖逡逑？三階交調(diào)點(diǎn)（０ＩＰ３）逡逑光探測(cè)器的非線性是指由于光探測(cè)器的非線性效應(yīng)，光探測(cè)器對(duì)經(jīng)過調(diào)制的逡逑輸入光信號(hào)的響應(yīng)不僅包含原來的調(diào)制頻率分量，還出現(xiàn)了一些新的頻率成分，逡逑包括各頻率的倍頻、和頻、差頻信號(hào)，以及這些信號(hào)彼此之間繼續(xù)纟邋１１合出的其它逡逑頻率信號(hào)，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。這個(gè)失真包括諧波失真（Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，逡逑即倍頻信兮）和互調(diào)失Ｗ（丨ｎｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN36

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本文編號(hào)：2641287