微波光子的参数：无杂散动态范围

无杂散动态范围的定义

微波光子链路中的非线性失真主要由电光调制器的非线性调制产生，这些非线性失真可以分为谐波失真和交调失真两类。图1.2（a）给出了光信号在调制器内被一个频率为10 GHz的射频（Radio Frequency，RF）信号调制后的光谱图，可以看到除了会产生RF信号调制的光边带，还会产生二次、三次以及更高次谐波边带。这些光边带在光电探测器拍频后，会还原出 RF 信号、二次谐波失真（Second Harmonic Distortion，SHD）以及更高次谐波失真，如图 1.2（b）所示。

当有两个或两个以上的 RF 信号同时输入到 MPL 中时，便会产生交调失真，图1.3（a）给出了当频率f1-10GHz和f2-11 GHz的两个RF信号输入到调制器后，最终输出的光谱图，可以看到，除了图中所示的光载波、两个RF信号调制的边带和高阶谐波失真边带以外，还会包含多项失真边带。

这些光边带在光电探测器（Photodetector，PD）拍频后，会产生多种频率的失真信号，如图1.3（b）所示，其中，在输出的RF信号两测频率为2f1-f2和2f2-f1的失真信号由三阶交调失真（Third-order Intermodulation Distortion，IMD3）主导：在零频附近频率为f2-f1和二倍频处频率为f1+f2的失真项由二阶交调失真（Second-order Intermodulation Distortion，IMD2）主导：在二倍频处频率为2f1和2f2的失真信号由SHD主导。需要注意的是，在这些主导的失真项的频率处，还包含其他高阶的失真项，如在IMD3频率处，除了IMD3，还包含五阶乃至更高阶的奇数次失真项：在IMD2和SHD频率处，还包含四阶乃至更高阶的偶数次失真项，而这些高阶的失真项的功率相比于在各自频率主导的失真项的功率小得多。

图1.4给出了输出的RF信号功率和失真项功率同输入RF信号的功率的关系图，输出 RF 信号的功率以斜率为 1 的速率随输入 RF 信号功率增加，而输出失真项功率的斜率则由失真项的阶数决定，例如，当失真项为IMD3时，斜率为3；当失真项为IMD2和SHD时，斜率为2。

从图1.4中可以发现，随着输入RF信号功率的增加，输出失真项恶化的速度会比输出RF信号功率的增长速度快得多，这便加剧了链路的失真，恶化链路输出信号的质量。

在上述的情况下，无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）常被用来衡量链路的保真能力，定义为当失真项输出功率刚好超过系统输出噪底时，输出RF信号功率同输出噪底的功率的差值，即：在没有可探测的非线性失真的情况下，MPL能实现的最大信噪比，如图1.4中红箭头所表示。SFDR可由以下公式决定

其中，n 为失真项的阶数，OIPn为图 1.4中所示的 n阶非线性失真项相交于RF信号处的输出功率值，N为链路在1Hz探测带宽下测量的输出噪底功率。

提高SFDR3

这里介绍两种提高SFDR3 的方法：

方法一，是通过消除 IMD3，让 IMD3 频率处的五阶失真项成为频段内的主导失真项，SFDR3则转由图1.8中的红色箭头所决定；

方法二，是提高链路输入到光电探测器的平均光功率。

图1.9给出了系统输出噪声和系统的SFDR3与输入到PD的平均光功率的关系，当平均输出光功率较小时，系统输出的噪声由散粒噪声决定。

输出RF信号功率增长的速度是输出的噪底功率增长速度的两倍，因此通过增大平均输出光功率能够提高SFDR3。

随着平均输出光功率的增大，输出噪声转由相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）决定，此时，输出RF信号功率增长的速度和输出的噪底功率增长的速度相同，

因此增大平均光功率不会提高SFDR3，这里需要注意的是，增大平均输出光功率后，由五阶失真项决定的SFDR3提升的速度比由IMD3决定的SFDR3更快。

结论:

**使用大功率的低RIN的激光器，使用饱和光功率高的光电探测器。
**

关于如何提高外调制MPL动态范围的报道，这些方法主要包括提高链路信噪比和改善链路线性度。如使用低RIN的激光器、光载波过滤、MZM低偏置技术、平衡探测技术等方法来提高链路的信噪比；采用预失真技术、偏振混合、双波长输入、调制器串联、双调制器并联等方法抑制交调分量、提高链路线性度。

[1]郑瑞祺. 大无杂散动态范围的新型微波光子链路研究[D].暨南大学,2020.DOI:10.27167/d.cnki.gjinu.2020.001271.

激光器

调制器

探测器

可调谐激光器控制系统

读取TTX1995系列激光器的参数，最大16dBm

读取TL5000激光器的参数，最大光功率13dBm