專利名稱：通過(guò)無(wú)線電波和光波導(dǎo)進(jìn)行的通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖或其它波導(dǎo)中的光信號(hào)以及相反過(guò)程的變換器和方法。它主要但非專門(mén)應(yīng)用于所謂的“光纖無(wú)線”(“radio-over-fiber”)技術(shù)，這種技術(shù)可用于蜂窩無(wú)線電系統(tǒng)特別是蜂窩電話系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程天線；并且本發(fā)明的某些方面在“微微單元”(“picocell”)天線裝置中是有用的，考慮到它們?cè)跓o(wú)需本地電能的情況下進(jìn)行工作，這些天線裝置是無(wú)源的。
背景技術(shù)：
蜂窩電話或其它蜂窩無(wú)線電系統(tǒng)的有效覆蓋范圍需要大量的天線，其中的一些天線位于遙遠(yuǎn)的位置，并且如果天線場(chǎng)地處的電能要求可以減小到可由小太陽(yáng)能電池有效供電的水平或者在有利的情形中完全消除這種供電要求，則設(shè)置和維護(hù)的成本可以削減許多。
已知在“光纖無(wú)線”系統(tǒng)中用光纖來(lái)引導(dǎo)信號(hào)進(jìn)出天線裝置，這種系統(tǒng)可以使用單個(gè)電吸收調(diào)制器(EAM)作為雙向(全雙工)電-光變換器，并且在一些情況下在無(wú)需放大的情況下(即該變換器無(wú)源地連接到發(fā)送和接收天線)可以在兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)足夠的信號(hào)強(qiáng)度。大多數(shù)情況下，需要合適的偏置以在兩個(gè)方向上都實(shí)現(xiàn)令人滿意的性能，但是在非常小的單元中零偏置也可能給出可接受的性能。這種單元有時(shí)候被稱為微微單元，適合于高要求的緊密區(qū)域(例如，候機(jī)室等封閉空間)。
在這類裝置中，需要一種技術(shù)能同時(shí)在兩個(gè)方向上有效控制轉(zhuǎn)換效率。
還需要通過(guò)減小不期望出現(xiàn)的EAM的電容效應(yīng)來(lái)增大轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是使用恒流源對(duì)EAM加偏壓。這自動(dòng)地設(shè)置了基本上固定的下游電(RF)信號(hào)電平，并且允許簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)光功率電平來(lái)遠(yuǎn)程地(從基站)調(diào)節(jié)上游調(diào)制效率。該技術(shù)還允許控制最小互調(diào)失真(IMD)點(diǎn)，如果期望的話，從基站進(jìn)行這種控制，因?yàn)樵诨咎幈O(jiān)控起來(lái)相對(duì)容易。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是一種通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)中的光信號(hào)及相反過(guò)程的變換器，并且包括電吸收調(diào)制器，以光學(xué)形式直接或間接地耦合到所述波導(dǎo)；至少一個(gè)天線，電耦合到所述電吸收調(diào)制器；以及電恒流源，耦合到所述電吸收調(diào)制器以對(duì)其加偏置。
本發(fā)明包括一種“光纖無(wú)線”裝置，它包括遠(yuǎn)程天線，其形式為上文所描述的變換器；以及基站。該基站包括下游光信號(hào)源；用于上游光信號(hào)的檢測(cè)器；以及振幅控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)其光輸入振幅而使所述變換器的運(yùn)行達(dá)到最佳。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是，使用并聯(lián)調(diào)諧電路以便通過(guò)與其電容效應(yīng)相反來(lái)增大EAM的有效負(fù)載阻抗。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述中得到闡明，并且對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言從說(shuō)明書(shū)中會(huì)部分變得明顯，或者通過(guò)實(shí)踐下文的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)和附圖所描述的本發(fā)明而被認(rèn)識(shí)到。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的上述一般性描述以及下面關(guān)于實(shí)施方式的詳細(xì)描述都旨在提供一個(gè)概述或框架以便于理解權(quán)利要求書(shū)所界定的本發(fā)明的本質(zhì)和特征。附圖被包括在這里是為了提供對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成了說(shuō)明書(shū)的一部分。這些圖示出了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，并且與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


在附圖中圖1是示出了典型的EAM的各種特征的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明被偏置的EAM的簡(jiǎn)化電路圖；圖3是圖2的裝置的戴維寧(Thevenin)等效電路；圖4是示出了本發(fā)明的偏置EAM的性能作為溫度的函數(shù)的圖；圖5是示出了相同的EAM在一系列輸入光功率電平處的性能的圖；
圖6是示出了在相同的恒流條件下電輸出功率作為偏壓的函數(shù)的補(bǔ)充圖；圖7-9示出了本發(fā)明的各種EAM變換器的電路；圖10是與圖1相似示出了圖6-9的變換器有關(guān)的EAM類型的各種特征的圖；以及圖11是包括本發(fā)明的變換器的收發(fā)機(jī)裝置的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，其各種示例在附圖中均有示出。在所有附圖中，只要可能，相同的標(biāo)號(hào)將指代相同或相似的部件。
恒流偏置的理論處理在圖1中，實(shí)線表示典型的EAM的測(cè)得的DC響應(yīng)率(每單位光功率輸入的直流電輸出)與反向DC偏壓的函數(shù)關(guān)系；虛線表示透射光的分?jǐn)?shù)并且與它接近成反比關(guān)系，因?yàn)橐疠敵鲭娏鞯碾姾蓪?duì)是與光子吸收成正比而產(chǎn)生的。RF調(diào)制效率(以及上游信號(hào)強(qiáng)度，“上游”意味著在從天線到基站的方向上并且包括電到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換)由工作偏壓下透射曲線的斜率決定。
圖2簡(jiǎn)單地表示一個(gè)EAM，它不是用固定的偏壓來(lái)偏置的，而是用恒流源。這些恒流源是電學(xué)領(lǐng)域公知的，不需要詳細(xì)描述。不可避免地，EAM的光電流Ip必須等于所加的偏置電流Ic；考慮到圖3所示的Thevenin等效電路，這是可以推斷出的或至少被解釋的。如果光電流超過(guò)所加的電流，則在等效電阻RL兩端將有更大的電壓降，并且這將減小偏置電壓和光電流；相反，如果它小于所加的電流，則因此EAM吸收及其響應(yīng)率必須自動(dòng)地調(diào)節(jié)以便平衡Ic＝Ip＝ηPa，其中Pa是吸收的功率。如果輸入光信號(hào)的調(diào)制深度是恒定的，則EAM所產(chǎn)生的RF信號(hào)將具有恒定的幅度。如果恒流源的工作范圍未被超過(guò)，則對(duì)于環(huán)境溫度、輸入光水平、輸入波長(zhǎng)和偏置狀態(tài)的寬廣范圍而言這仍然是真的。
將認(rèn)識(shí)到，EAM中有益吸收的光功率Pa等于RgcPi，其中R是其有源區(qū)域在給定偏壓下的吸收效率，Pi是入射光功率，而gc是入射光穿過(guò)其光輸入端處的耦合區(qū)域到達(dá)該器件的有源部分的比例。理想的響應(yīng)率(單位是安培/瓦特，忽略損耗)將是ηR，其中η是依賴于波長(zhǎng)的參數(shù)，在1550nm的典型電信波長(zhǎng)處η的數(shù)值接近1.25。因此，穿過(guò)該器件的有源部分的光透射T＝1-R＝1-Ic/(ηgcPi)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)Pi，可以在各邊界之內(nèi)按意愿來(lái)選擇T(或R)。注意到，圖1示出了對(duì)于典型的EAM而言“響應(yīng)率-DC偏壓”的外部電路測(cè)量結(jié)果，便可以澄清上述這一點(diǎn)。可以看出，當(dāng)偏壓接近-5V時(shí)，很少有光可以透射，因?yàn)橐蕾囉陔妷旱奈障禂?shù)達(dá)到其最大值。該外部測(cè)得的響應(yīng)率具有剛剛低于0.9A/W的最大值。這對(duì)應(yīng)于IpPi=ηRgcPiPi=ηRgc]]>相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與上述簡(jiǎn)單的理論相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出一些小但卻不能總忽略的系統(tǒng)性偏差，申請(qǐng)人(不希望被任何理論所限制)認(rèn)為該偏差是因帶有偏壓的EAM的頻率響應(yīng)的變化造成的，而該頻率響應(yīng)變化可歸因于電子和空穴的特征傳輸時(shí)間之差，但這并不貶低本發(fā)明的實(shí)用性。作為示例，用于產(chǎn)生圖1的曲線的EAM(它具有早期的設(shè)計(jì)，并未考慮到上述這種效應(yīng))是用0.22mA的恒流源來(lái)偏置的，并且其電輸出和偏壓作為溫度的函數(shù)是在8-30℃的范圍中測(cè)得的。結(jié)果都繪制在圖4中，并且顯示出在約0.7dB內(nèi)該輸出是恒定的，但是確實(shí)按接近線性的方式隨偏壓而變化。
圖5和6示出了在相同的恒流偏置條件下在某一輸入光功率電平范圍內(nèi)上述EAM的效應(yīng)，并且示出了在測(cè)量范圍(它對(duì)應(yīng)于EAM轉(zhuǎn)移特性中最有吸引力、最陡峭的部分)中光輸入功率每減小1個(gè)dB電功率輸出就大約增大1dB。圖6示出了這種效應(yīng)是如何與偏壓成顯著線性關(guān)系的。這些變化相對(duì)較小，但是并不貶低本發(fā)明的實(shí)用性；如果有必要的話，它們可以允許控制算法-我們相信適當(dāng)?shù)剡x擇EAM，預(yù)設(shè)的恒流將足以用于實(shí)踐的目的；但是即使(針對(duì)特定的EAM設(shè)計(jì))已證明有必要利用查詢表或其它計(jì)算方式來(lái)確定用于本操作條件的最佳偏置電流，該查詢表也會(huì)比一個(gè)設(shè)計(jì)用來(lái)直接定義最佳偏壓的表格要簡(jiǎn)單許多。
因?yàn)樗请妷候?qū)動(dòng)的設(shè)備，所以會(huì)影響此類系統(tǒng)的EAM的調(diào)制效率的另一個(gè)因素是其負(fù)載阻抗，通常，考慮到更高的負(fù)載阻抗將導(dǎo)致更高的效率和更大的無(wú)線電范圍，重要的附帶條件是處于無(wú)源(不加偏置)模式中，所用電壓必須不這么大以移動(dòng)到響應(yīng)曲線的基本上線性的部分之外。
并不必然會(huì)引出，將更高的阻抗連接到EAM會(huì)實(shí)現(xiàn)有益增大的效率，因?yàn)镋AM自身具有相當(dāng)大的電容，所以在射頻處，提供了相對(duì)較低的阻抗分路。本發(fā)明的另一個(gè)方面是，通過(guò)用EAM的內(nèi)部電容來(lái)形成一個(gè)在變換器工作范圍內(nèi)的某一頻率處諧振的并聯(lián)調(diào)諧電路，減小(在可能的情況下基本上消除)這種分路效應(yīng)。圖7-9示出了這樣做的各種方式。
圖7代表了“無(wú)源微微單元”裝置，即一種沒(méi)有任何放大或偏置所以不需要任何電源的裝置。EAM(陰影矩形)由其電學(xué)等效電路代表，它包括串聯(lián)電阻Rs、電容Cm和動(dòng)態(tài)光電阻R0，這意味著Pi.R(V)/V的倒數(shù)，其中Pi是入射光功率，而R(V)/V是“EAM響應(yīng)率-偏壓”曲線(下文會(huì)進(jìn)一步描述該曲線)的斜率。根據(jù)本發(fā)明，外部負(fù)載是電感L，該電感L被選擇與Cm一起構(gòu)成一個(gè)在變換器的工作頻率范圍中(最好是在該范圍中心或附近)諧振的并聯(lián)諧振電路，通常該頻率范圍是1-100GHz，例如用在無(wú)線局域網(wǎng)中的2.4或5.2GHz、或“G3”蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的2GHz；其它唯一重要的部件就是天線，盡管常常有反饋器以及天線匹配單元。對(duì)于典型的設(shè)備和裝置參數(shù)而言(主要有耦合損耗、響應(yīng)率和預(yù)期光水平)，零偏置時(shí)的最大光電流還可能是1mA的量級(jí)，因此與0.6V左右的開(kāi)路數(shù)值相比，在50Ω負(fù)載阻抗中引出一個(gè)0.05V左右的峰值正向電壓。在0.05V處，響應(yīng)應(yīng)該基本上是線性的，而在開(kāi)路情況下預(yù)計(jì)響應(yīng)基本上是對(duì)數(shù)形式的；非線性變得不可接受時(shí)的負(fù)載阻抗值將隨設(shè)備的不同而變化，并且無(wú)論如何部分程度是主觀的；本領(lǐng)域的專家將能夠針對(duì)任何特定的EAM來(lái)確定并實(shí)現(xiàn)最佳的阻抗值。
當(dāng)EAM被充分偏置時(shí)，沒(méi)有這種限制會(huì)出現(xiàn)；圖8示出了常規(guī)的設(shè)定電壓偏置裝置，而圖9是本發(fā)明的恒流偏置裝置。無(wú)論哪種情況，調(diào)諧電路的Q因子都可以調(diào)整成所需的信號(hào)調(diào)制帶寬，該帶寬受固有的串聯(lián)電阻RS和動(dòng)態(tài)光阻抗R0所設(shè)置的界線影響。
圖10示出了在與本發(fā)明這一方面有關(guān)的模擬中所使用的特定的EAM的特征曲線。注意到，它大體上對(duì)應(yīng)于圖1，只不過(guò)繪圖的方向是相反的，并且垂直軸的標(biāo)記方式相反。在零偏置處，“響應(yīng)率-偏壓”曲線的斜率約為+0.25，并且對(duì)于Pi＝2.5mW，R0將是大約1.33kΩ。R0反比于Pi，所以調(diào)諧電路的Q因子將隨入射光功率的增大而下降。
圖11舉例說(shuō)明了在光纖無(wú)線裝置的遠(yuǎn)程天線單元1的環(huán)境中的本發(fā)明的變換器。它通過(guò)兩根光纖3和4連接到基站2，這兩根光纖分別將來(lái)自基站中的激光發(fā)射器5的光信號(hào)傳到EAM 6的光輸入一側(cè)并且將來(lái)自EAM 6的光輸出一側(cè)的光信號(hào)傳到基站中的光電檢測(cè)器7。恒流源8和電感負(fù)載阻抗9像上述那樣連接到EAM 6，并且其電信號(hào)端口通過(guò)天線匹配單元10(天線匹配單元10可以與負(fù)載阻抗9集成在一起)和反饋器11而連接到雙向天線12(被假定為偶極天線，在這種情況下接地連接是任選的)。注意到，僅考慮使EAM和天線均衡以便進(jìn)行最佳功率轉(zhuǎn)移的情況下，天線匹配單元可能不匹配于EAM和天線的阻抗，因?yàn)榕c有效地轉(zhuǎn)移功率相比，實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的電壓電平可能更重要。在基站2中，一部分上游信號(hào)被用于輸入到互調(diào)失真監(jiān)控器13，監(jiān)控器13轉(zhuǎn)而提供一個(gè)輸入(沒(méi)必要是唯一的輸入)給振幅控制14，振幅控制14調(diào)節(jié)激光器5的輸出振幅，以便設(shè)置EAM偏置點(diǎn)從而確保足夠的上游射頻信號(hào)功率和較低的互調(diào)失真，并且通常根據(jù)當(dāng)前的工作條件使該裝置最佳化。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，使用商用微波模擬軟件“DragonWave 7.0TM”進(jìn)行的模擬指出了，至少為5的Q因子和約250Ω的有效EAM負(fù)載阻抗可以用可實(shí)踐的部件值來(lái)實(shí)現(xiàn)，合適的特定數(shù)值是特定的EAM的函數(shù)，但仍然在本領(lǐng)域技術(shù)人員的專業(yè)技能之內(nèi)來(lái)確定。注意到，EAM電容Cm的數(shù)值減小是有益的，并且這表示使用反射式EAM的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@允許在使該設(shè)備的物理長(zhǎng)度減半的同時(shí)維持光路長(zhǎng)度和調(diào)制深度。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變化。因此，本發(fā)明旨在涵蓋這些修改和變化，只要它們落在所附的權(quán)利要求書(shū)及其等價(jià)方案的范圍內(nèi)就可以。
此處包括任何對(duì)本發(fā)明的背景討論，以解釋本發(fā)明得以產(chǎn)生的環(huán)境。在任何文獻(xiàn)或信息被稱為“已知”的地方，只承認(rèn)在本申請(qǐng)的日期之前對(duì)于至少一個(gè)公眾成員而言是已知的。除非參考文獻(xiàn)的內(nèi)容另外清晰地指出來(lái)，否則不承認(rèn)這種知識(shí)曾以印刷出版物的形式表達(dá)過(guò)，不承認(rèn)這種知識(shí)在美國(guó)或任何特定國(guó)家(是PCT成員國(guó)或不是)中曾經(jīng)可以被公眾或本發(fā)明所涉及領(lǐng)域中的專家獲得，也不承認(rèn)這種知識(shí)在本發(fā)明做出之前或任何所主張日期之前就是已知的或已被揭示過(guò)。此外，還不承認(rèn)無(wú)論在世界范圍內(nèi)還是在任何國(guó)家中任何文獻(xiàn)或信息能構(gòu)成本領(lǐng)域共有的一般性知識(shí)，并且不相信其中的任何部分確實(shí)如此。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)中的光信號(hào)以及相反過(guò)程的變換器，它包括電吸收調(diào)制器，以光學(xué)形式耦合到所述波導(dǎo)；至少一個(gè)天線，電耦合到所述電吸收調(diào)制器；以及電恒流源，耦合到所述電吸收調(diào)制器以使其偏置。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，還包括由響應(yīng)于各種操作條件的算法來(lái)控制的計(jì)算機(jī)，用于調(diào)節(jié)所述恒流源。
3.一種用于通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)中的光信號(hào)以及相反過(guò)程的變換器，它包括電吸收調(diào)制器，它具有內(nèi)部電容且以光學(xué)形式耦合到所述波導(dǎo)；至少一個(gè)天線，電耦合到所述電吸收調(diào)制器；以及負(fù)載阻抗，連接到所述電吸收調(diào)制器，其中所述負(fù)載阻抗是電感式的并且與所述內(nèi)部電容一起構(gòu)成并聯(lián)調(diào)諧電路。
4.如權(quán)利要求3所述的變換器，還包括電恒流源，耦合到所述電吸收調(diào)制器以使其偏置。
5.一種用于通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)中的光信號(hào)以及相反過(guò)程的方法，它包括以光學(xué)方式將電吸收調(diào)制器耦合到所述波導(dǎo)；將至少一個(gè)天線電耦合到所述電吸收調(diào)制器；以及通過(guò)電恒流源使所述電吸收調(diào)制器偏置。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，包括根據(jù)響應(yīng)于各種操作條件的算法來(lái)調(diào)節(jié)所述恒流源。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，包括通過(guò)調(diào)節(jié)其光輸入的振幅從而遠(yuǎn)程地使所述電吸收監(jiān)視器的運(yùn)行達(dá)到最佳。
8.一種光纖無(wú)線裝置，包括遠(yuǎn)程天線單元，它包括權(quán)利要求1所述的變換器，以及基站，它包括下游光信號(hào)的源、用于上游光信號(hào)的檢測(cè)器、以及振幅控制器，該振幅控制器通過(guò)調(diào)節(jié)其光輸入振幅便使所述變換器的操作達(dá)到最佳。
9.一種用于通過(guò)電信號(hào)將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)中的光信號(hào)以及相反過(guò)程的方法，它包括以光學(xué)方式將具有內(nèi)部電容的電吸收調(diào)制器耦合到所述波導(dǎo)；將至少一個(gè)天線電耦合到所述電吸收調(diào)制器；以及將電感式的負(fù)載阻抗連接到所述電吸收調(diào)制器，以便與所述內(nèi)部電容一起構(gòu)成并聯(lián)調(diào)諧電路。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括通過(guò)電恒流源使所述電吸收調(diào)制器偏置。
全文摘要
本發(fā)明涉及全雙工雙向光電變換器的改進(jìn)，主要用于光纖無(wú)線(radio－over－fiber)裝置中，比如用于蜂窩無(wú)線電裝置的遠(yuǎn)程天線裝置。該變換器是基于電吸收調(diào)制器的那一類，并且第一改進(jìn)包括通過(guò)恒流源使其偏置，而非像常規(guī)那樣通過(guò)直接地設(shè)置偏壓。在適當(dāng)選擇EAM的情況下，預(yù)設(shè)的恒流源被視為足夠了，但是如果發(fā)現(xiàn)期望的話還可以通過(guò)控制算法針對(duì)各種工作條件來(lái)調(diào)節(jié)其設(shè)置。第二改進(jìn)包括通過(guò)使用電感式負(fù)載來(lái)增大EAM的有效負(fù)載阻抗，其中該電感式負(fù)載與EAM的內(nèi)部電容一起構(gòu)成調(diào)諧電路，在工作范圍中某一頻率處諧振。
文檔編號(hào)H04B10/00GK101040466SQ200580035355
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者P·海莉, P·D·唐山德, C·W·福特 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司