通过无线电波和光波导进行的通信的制作方法

专利名称：通过无线电波和光波导进行的通信的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及通过电信号将无线电信号转换成光纤或其它波导中的光信号以及相反过程的变换器和方法。它主要但非专门应用于所谓的“光纤无线”(“radio-over-fiber”)技术，这种技术可用于蜂窝无线电系统特别是蜂窝电话系统中的远程天线；并且本发明的某些方面在“微微单元”(“picocell”)天线装置中是有用的，考虑到它们在无需本地电能的情况下进行工作，这些天线装置是无源的。
背景技术：
蜂窝电话或其它蜂窝无线电系统的有效覆盖范围需要大量的天线，其中的一些天线位于遥远的位置，并且如果天线场地处的电能要求可以减小到可由小太阳能电池有效供电的水平或者在有利的情形中完全消除这种供电要求，则设置和维护的成本可以削减许多。
已知在“光纤无线”系统中用光纤来引导信号进出天线装置，这种系统可以使用单个电吸收调制器(EAM)作为双向(全双工)电-光变换器，并且在一些情况下在无需放大的情况下(即该变换器无源地连接到发送和接收天线)可以在两个方向上实现足够的信号强度。大多数情况下，需要合适的偏置以在两个方向上都实现令人满意的性能，但是在非常小的单元中零偏置也可能给出可接受的性能。这种单元有时候被称为微微单元，适合于高要求的紧密区域(例如，候机室等封闭空间)。
在这类装置中，需要一种技术能同时在两个方向上有效控制转换效率。
还需要通过减小不期望出现的EAM的电容效应来增大转换效率。

发明内容
本发明的一个方面是使用恒流源对EAM加偏压。这自动地设置了基本上固定的下游电(RF)信号电平，并且允许简单地通过调节光功率电平来远程地(从基站)调节上游调制效率。该技术还允许控制最小互调失真(IMD)点，如果期望的话，从基站进行这种控制，因为在基站处监控起来相对容易。
因此，本发明的一个方面是一种通过电信号将无线电信号转换成波导中的光信号及相反过程的变换器，并且包括电吸收调制器，以光学形式直接或间接地耦合到所述波导；至少一个天线，电耦合到所述电吸收调制器；以及电恒流源，耦合到所述电吸收调制器以对其加偏置。
本发明包括一种“光纤无线”装置，它包括远程天线，其形式为上文所描述的变换器；以及基站。该基站包括下游光信号源；用于上游光信号的检测器；以及振幅控制器，通过调节其光输入振幅而使所述变换器的运行达到最佳。
本发明的另一个方面是，使用并联调谐电路以便通过与其电容效应相反来增大EAM的有效负载阻抗。
本发明另外的特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且对于本领域的技术人员而言从说明书中会部分变得明显，或者通过实践下文的详细描述、权利要求书和附图所描述的本发明而被认识到。
应该理解，本发明的上述一般性描述以及下面关于实施方式的详细描述都旨在提供一个概述或框架以便于理解权利要求书所界定的本发明的本质和特征。附图被包括在这里是为了提供对本发明作进一步理解，并且构成了说明书的一部分。这些图示出了本发明的各种实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。


在附图中图1是示出了典型的EAM的各种特征的图；图2是根据本发明被偏置的EAM的简化电路图；图3是图2的装置的戴维宁(Thevenin)等效电路；图4是示出了本发明的偏置EAM的性能作为温度的函数的图；图5是示出了相同的EAM在一系列输入光功率电平处的性能的图；
图6是示出了在相同的恒流条件下电输出功率作为偏压的函数的补充图；图7-9示出了本发明的各种EAM变换器的电路；图10是与图1相似示出了图6-9的变换器有关的EAM类型的各种特征的图；以及图11是包括本发明的变换器的收发机装置的图。
具体实施例方式
现在将详细参照本发明的较佳实施方式，其各种示例在附图中均有示出。在所有附图中，只要可能，相同的标号将指代相同或相似的部件。
恒流偏置的理论处理在图1中，实线表示典型的EAM的测得的DC响应率(每单位光功率输入的直流电输出)与反向DC偏压的函数关系；虚线表示透射光的分数并且与它接近成反比关系，因为引起输出电流的电荷对是与光子吸收成正比而产生的。RF调制效率(以及上游信号强度，“上游”意味着在从天线到基站的方向上并且包括电到光信号的转换)由工作偏压下透射曲线的斜率决定。
图2简单地表示一个EAM，它不是用固定的偏压来偏置的，而是用恒流源。这些恒流源是电学领域公知的，不需要详细描述。不可避免地，EAM的光电流Ip必须等于所加的偏置电流Ic；考虑到图3所示的Thevenin等效电路，这是可以推断出的或至少被解释的。如果光电流超过所加的电流，则在等效电阻RL两端将有更大的电压降，并且这将减小偏置电压和光电流；相反，如果它小于所加的电流，则因此EAM吸收及其响应率必须自动地调节以便平衡Ic＝Ip＝ηPa，其中Pa是吸收的功率。如果输入光信号的调制深度是恒定的，则EAM所产生的RF信号将具有恒定的幅度。如果恒流源的工作范围未被超过，则对于环境温度、输入光水平、输入波长和偏置状态的宽广范围而言这仍然是真的。
将认识到，EAM中有益吸收的光功率Pa等于RgcPi，其中R是其有源区域在给定偏压下的吸收效率，Pi是入射光功率，而gc是入射光穿过其光输入端处的耦合区域到达该器件的有源部分的比例。理想的响应率(单位是安培/瓦特，忽略损耗)将是ηR，其中η是依赖于波长的参数，在1550nm的典型电信波长处η的数值接近1.25。因此，穿过该器件的有源部分的光透射T＝1-R＝1-Ic/(ηgcPi)。因此，通过调节Pi，可以在各边界之内按意愿来选择T(或R)。注意到，图1示出了对于典型的EAM而言“响应率-DC偏压”的外部电路测量结果，便可以澄清上述这一点。可以看出，当偏压接近-5V时，很少有光可以透射，因为依赖于电压的吸收系数达到其最大值。该外部测得的响应率具有刚刚低于0.9A/W的最大值。这对应于IpPi=ηRgcPiPi=ηRgc]]>相应的实验与上述简单的理论相比，实验结果显示出一些小但却不能总忽略的系统性偏差，申请人(不希望被任何理论所限制)认为该偏差是因带有偏压的EAM的频率响应的变化造成的，而该频率响应变化可归因于电子和空穴的特征传输时间之差，但这并不贬低本发明的实用性。作为示例，用于产生图1的曲线的EAM(它具有早期的设计，并未考虑到上述这种效应)是用0.22mA的恒流源来偏置的，并且其电输出和偏压作为温度的函数是在8-30℃的范围中测得的。结果都绘制在图4中，并且显示出在约0.7dB内该输出是恒定的，但是确实按接近线性的方式随偏压而变化。
图5和6示出了在相同的恒流偏置条件下在某一输入光功率电平范围内上述EAM的效应，并且示出了在测量范围(它对应于EAM转移特性中最有吸引力、最陡峭的部分)中光输入功率每减小1个dB电功率输出就大约增大1dB。图6示出了这种效应是如何与偏压成显著线性关系的。这些变化相对较小，但是并不贬低本发明的实用性；如果有必要的话，它们可以允许控制算法-我们相信适当地选择EAM，预设的恒流将足以用于实践的目的；但是即使(针对特定的EAM设计)已证明有必要利用查询表或其它计算方式来确定用于本操作条件的最佳偏置电流，该查询表也会比一个设计用来直接定义最佳偏压的表格要简单许多。
因为它是电压驱动的设备，所以会影响此类系统的EAM的调制效率的另一个因素是其负载阻抗，通常，考虑到更高的负载阻抗将导致更高的效率和更大的无线电范围，重要的附带条件是处于无源(不加偏置)模式中，所用电压必须不这么大以移动到响应曲线的基本上线性的部分之外。
并不必然会引出，将更高的阻抗连接到EAM会实现有益增大的效率，因为EAM自身具有相当大的电容，所以在射频处，提供了相对较低的阻抗分路。本发明的另一个方面是，通过用EAM的内部电容来形成一个在变换器工作范围内的某一频率处谐振的并联调谐电路，减小(在可能的情况下基本上消除)这种分路效应。图7-9示出了这样做的各种方式。
图7代表了“无源微微单元”装置，即一种没有任何放大或偏置所以不需要任何电源的装置。EAM(阴影矩形)由其电学等效电路代表，它包括串联电阻Rs、电容Cm和动态光电阻R0，这意味着Pi.R(V)/V的倒数，其中Pi是入射光功率，而R(V)/V是“EAM响应率-偏压”曲线(下文会进一步描述该曲线)的斜率。根据本发明，外部负载是电感L，该电感L被选择与Cm一起构成一个在变换器的工作频率范围中(最好是在该范围中心或附近)谐振的并联谐振电路，通常该频率范围是1-100GHz，例如用在无线局域网中的2.4或5.2GHz、或“G3”蜂窝电话网络的2GHz；其它唯一重要的部件就是天线，尽管常常有反馈器以及天线匹配单元。对于典型的设备和装置参数而言(主要有耦合损耗、响应率和预期光水平)，零偏置时的最大光电流还可能是1mA的量级，因此与0.6V左右的开路数值相比，在50Ω负载阻抗中引出一个0.05V左右的峰值正向电压。在0.05V处，响应应该基本上是线性的，而在开路情况下预计响应基本上是对数形式的；非线性变得不可接受时的负载阻抗值将随设备的不同而变化，并且无论如何部分程度是主观的；本领域的专家将能够针对任何特定的EAM来确定并实现最佳的阻抗值。
当EAM被充分偏置时，没有这种限制会出现；图8示出了常规的设定电压偏置装置，而图9是本发明的恒流偏置装置。无论哪种情况，调谐电路的Q因子都可以调整成所需的信号调制带宽，该带宽受固有的串联电阻RS和动态光阻抗R0所设置的界线影响。
图10示出了在与本发明这一方面有关的模拟中所使用的特定的EAM的特征曲线。注意到，它大体上对应于图1，只不过绘图的方向是相反的，并且垂直轴的标记方式相反。在零偏置处，“响应率-偏压”曲线的斜率约为+0.25，并且对于Pi＝2.5mW，R0将是大约1.33kΩ。R0反比于Pi，所以调谐电路的Q因子将随入射光功率的增大而下降。
图11举例说明了在光纤无线装置的远程天线单元1的环境中的本发明的变换器。它通过两根光纤3和4连接到基站2，这两根光纤分别将来自基站中的激光发射器5的光信号传到EAM 6的光输入一侧并且将来自EAM 6的光输出一侧的光信号传到基站中的光电检测器7。恒流源8和电感负载阻抗9像上述那样连接到EAM 6，并且其电信号端口通过天线匹配单元10(天线匹配单元10可以与负载阻抗9集成在一起)和反馈器11而连接到双向天线12(被假定为偶极天线，在这种情况下接地连接是任选的)。注意到，仅考虑使EAM和天线均衡以便进行最佳功率转移的情况下，天线匹配单元可能不匹配于EAM和天线的阻抗，因为与有效地转移功率相比，实现相对高的电压电平可能更重要。在基站2中，一部分上游信号被用于输入到互调失真监控器13，监控器13转而提供一个输入(没必要是唯一的输入)给振幅控制14，振幅控制14调节激光器5的输出振幅，以便设置EAM偏置点从而确保足够的上游射频信号功率和较低的互调失真，并且通常根据当前的工作条件使该装置最佳化。
经实验确定，使用商用微波模拟软件“DragonWave 7.0TM”进行的模拟指出了，至少为5的Q因子和约250Ω的有效EAM负载阻抗可以用可实践的部件值来实现，合适的特定数值是特定的EAM的函数，但仍然在本领域技术人员的专业技能之内来确定。注意到，EAM电容Cm的数值减小是有益的，并且这表示使用反射式EAM的优点，因为这允许在使该设备的物理长度减半的同时维持光路长度和调制深度。
对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在涵盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案的范围内就可以。
此处包括任何对本发明的背景讨论，以解释本发明得以产生的环境。在任何文献或信息被称为“已知”的地方，只承认在本申请的日期之前对于至少一个公众成员而言是已知的。除非参考文献的内容另外清晰地指出来，否则不承认这种知识曾以印刷出版物的形式表达过，不承认这种知识在美国或任何特定国家(是PCT成员国或不是)中曾经可以被公众或本发明所涉及领域中的专家获得，也不承认这种知识在本发明做出之前或任何所主张日期之前就是已知的或已被揭示过。此外，还不承认无论在世界范围内还是在任何国家中任何文献或信息能构成本领域共有的一般性知识，并且不相信其中的任何部分确实如此。
权利要求
1.一种用于通过电信号将无线电信号转换成波导中的光信号以及相反过程的变换器，它包括电吸收调制器，以光学形式耦合到所述波导；至少一个天线，电耦合到所述电吸收调制器；以及电恒流源，耦合到所述电吸收调制器以使其偏置。
2.如权利要求1所述的变换器，还包括由响应于各种操作条件的算法来控制的计算机，用于调节所述恒流源。
3.一种用于通过电信号将无线电信号转换成波导中的光信号以及相反过程的变换器，它包括电吸收调制器，它具有内部电容且以光学形式耦合到所述波导；至少一个天线，电耦合到所述电吸收调制器；以及负载阻抗，连接到所述电吸收调制器，其中所述负载阻抗是电感式的并且与所述内部电容一起构成并联调谐电路。
4.如权利要求3所述的变换器，还包括电恒流源，耦合到所述电吸收调制器以使其偏置。
5.一种用于通过电信号将无线电信号转换成波导中的光信号以及相反过程的方法，它包括以光学方式将电吸收调制器耦合到所述波导；将至少一个天线电耦合到所述电吸收调制器；以及通过电恒流源使所述电吸收调制器偏置。
6.如权利要求5所述的方法，包括根据响应于各种操作条件的算法来调节所述恒流源。
7.如权利要求5所述的方法，包括通过调节其光输入的振幅从而远程地使所述电吸收监视器的运行达到最佳。
8.一种光纤无线装置，包括远程天线单元，它包括权利要求1所述的变换器，以及基站，它包括下游光信号的源、用于上游光信号的检测器、以及振幅控制器，该振幅控制器通过调节其光输入振幅便使所述变换器的操作达到最佳。
9.一种用于通过电信号将无线电信号转换成波导中的光信号以及相反过程的方法，它包括以光学方式将具有内部电容的电吸收调制器耦合到所述波导；将至少一个天线电耦合到所述电吸收调制器；以及将电感式的负载阻抗连接到所述电吸收调制器，以便与所述内部电容一起构成并联调谐电路。
10.如权利要求9所述的方法，还包括通过电恒流源使所述电吸收调制器偏置。
全文摘要
本发明涉及全双工双向光电变换器的改进，主要用于光纤无线(radio－over－fiber)装置中，比如用于蜂窝无线电装置的远程天线装置。该变换器是基于电吸收调制器的那一类，并且第一改进包括通过恒流源使其偏置，而非像常规那样通过直接地设置偏压。在适当选择EAM的情况下，预设的恒流源被视为足够了，但是如果发现期望的话还可以通过控制算法针对各种工作条件来调节其设置。第二改进包括通过使用电感式负载来增大EAM的有效负载阻抗，其中该电感式负载与EAM的内部电容一起构成调谐电路，在工作范围中某一频率处谐振。
文档编号H04B10/00GK101040466SQ200580035355
公开日2007年9月19日 申请日期2005年10月13日 优先权日2004年10月15日
发明者P·海莉, P·D·唐山德, C·W·福特 申请人:康宁股份有限公司