【摘要】：隨著激光測距、光載無線(Radio over Fiber,RoF)通信等技術(shù)的興起和發(fā)展,光探測器的非線性越來越受到人們的重視。該特性在光探測器的系統(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,利用光探測器輸出光電流隨偏壓的變化,僅用一個光探測器在完成光電探測的同時實現(xiàn)信號調(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,光探測器的非線性將導致系統(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,對光探測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,首先對光探測器非線性的物理成因進行了較為深入的研究,推導了InP基PIN光探測器的輸運方程,研究了引起光探測器非線性的內(nèi)部效應(yīng)與外部因素之間的聯(lián)系;然后探索光探測器的非線性在RoF系統(tǒng)中的應(yīng)用,對光探測器偏壓調(diào)制技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究,包括公式推導、數(shù)值仿真和實驗測量。本論文取得的主要研究成果和創(chuàng)新點如下:1.依據(jù)光探測器輸運方程的一般形式,推導了InP基PIN光探測器的輸運方程,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)擴散電流與載流子密度呈線性關(guān)系;(3)簡化或忽略復合條件。2.對光探測器非線性的物理成因進行了較為系統(tǒng)地研究,建立了引起光探測器非線應(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.研究了光探測器的非線性在RoF系統(tǒng)中的應(yīng)用,重點研究了光探測器偏壓調(diào)制技術(shù),其中首次對PIN光探測器偏壓調(diào)制技術(shù)進行了研究。首先推導了PIN光探測器和單行載流子(Uni-Travelling-Carrier,UTC)光探測器在偏壓調(diào)制下的輸出電流表達式。然后用ATLAS和MATLAB仿真工具進行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果證明:當入射光功率為2.93dBm時,PIN光探測器(偏壓為0.5V時,帶寬約為13GHz)在10GHz副載波信號上的調(diào)制帶寬約為800MHz,UTC光探測器(偏壓為0V時,帶寬約為175GHz)在150GHz副載波信號上的調(diào)制帶寬約為1 8.75GHz。4.研究了影響光探測器偏壓調(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的諧波功率隨調(diào)制頻率的增大而增大,與已調(diào)信號產(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:當入射光功率增大到12.93dBm時,前述UTC光探測器的調(diào)制帶寬達到了25GHz。影響偏壓調(diào)制深度的主要因素是偏壓調(diào)制信號的低電壓,適當降低低電壓可以增大調(diào)制深度。5.搭建實驗系統(tǒng)對PIN光探測器偏壓調(diào)制技進行了實驗驗證。實驗過程中將副載波頻率設(shè)為1GHz,偏壓調(diào)制信號頻率設(shè)為100MHz。研究發(fā)現(xiàn)當偏壓調(diào)制信號幅度為1V,直流偏置為-3V時可以得到最佳調(diào)制效果。同時搭建實驗系統(tǒng)對UTC光探測器偏壓調(diào)制技術(shù)進行實驗驗證。首先測量了UTC光探測器的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%,基準電壓-0.5V,脈沖峰值0V的矩形脈沖信號加載到光探測器的偏置端對輸出光電流進行調(diào)制。結(jié)果顯示,輸出光電流包絡(luò)與輸入偏壓調(diào)制信號一致。
【圖文】：

再將這些電信號經(jīng)過放大電路放大到足夠高的電平，傳送到。而光探測器是光接收機的核心器件，因此其性能的優(yōu)劣直接質(zhì)量的好壞。逡逑測器的主要性能指標有響應(yīng)度、量子效率、３ｄＢ帶寬、ｌｄＢ壓點等，其中ｌｄＢ壓縮電流、三階交調(diào)點都反映了光探測器的非線光探測器的非線性對提高光通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。逡逑測器的工作原理逡逑信系統(tǒng)中常用的光探測器有ＰＩＮ光探測器、ＵＴＣ光探測器、雪）等，其中，ＰＩＮ光探測器是最常見、結(jié)構(gòu)最簡單和使用最廣面我們就以ＰＩＮ光探測器為例，分析光探測器的的基本工作探測器分為三層，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ｉ區(qū)都是耗盡區(qū)。逡逑

此時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)小信號增益所預計的值。通常情況下，我們把信號實際增益下降到比線性預逡逑計增益低１邋ｄＢ時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，則稱為交流飽和。通常情況下，交流飽和點的電流值要比直流飽和點逡逑電流值小，其對應(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（０ＩＰ３）逡逑光探測器的非線性是指由于光探測器的非線性效應(yīng)，光探測器對經(jīng)過調(diào)制的逡逑輸入光信號的響應(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，以及這些信號彼此之間繼續(xù)纟邋１１合出的其它逡逑頻率信號，從而導致輸出信號失真。這個失真包括諧波失真（Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，逡逑即倍頻信兮）和互調(diào)失Ｗ（丨ｎｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN36

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本文編號：2641287