色散补偿技术在1550nm模拟CATV长途传输系统中的应用.docVIP

色散补偿技术在1550nm模拟CATV长途传输系统中的应用张阳安 北京邮电大学光通信中心 研究生 李青 北京科瑞先科技发展有限公司 总工 王庆海 北京科瑞先科技发展有限公司 总经理 李玲 北京邮电大学光通信中心 教授 摘要文章通过对实际测量结果的分析，提出色散因素是制约1550nm模拟CATV系统无电中继传输距离的主要因素。本文提出利用已经商用化的色散补偿器件对普通长距离光纤CATV模拟传输系统中的色散进行补偿，并对比了色散补偿光纤和碉湫光纤光栅进行色散补偿的优缺点。本文在国内首次提出可以采用光纤光栅对1550nm CATV模拟系统长距离光纤传输进行色散补偿。试验证明采用光纤光栅（CFG）在保证较好CNR和CTB指标的情况下，能够大幅度地补偿CSO的恶化。文章最后给出了光纤光栅进行色散补偿的最佳位置。 1.前言 随着1550nm模拟CATV系统中光发射机和掺饵光纤放大器（EDFA）技术的成熟。产品价格的下降，越来越多的用户开始采用1550nm系统来扩大有线电视网络的覆盖范围。 1550nm系统在CATV网络中的主要应用有以下两种： （1）有线电视本地分配网络 如图1所示，1550nm光发射机输出的光信号经过光分路器，送入多个EDFA进行功率放大，放大输出后的光信号再用光分路器送到各个光节点，这些光节点一般距离网络中心不超过10km。在这种网络结构中，由于传输距离短，光纤输入端输入光功率小，所以不用考虑光纤的色散和非线性， EDFA带来的载噪比（CNR）恶化大约在12dB左右，所以整个系统的各项指标都会比较高。国外有些有线电视网络公司采用直接调制的1550nm光发射机代替价格比较昂贵的外调制1550m光发射机，实现有线电视信号的短距离、多用户星型分配网络，仍然能够达到很好的系统指标。 （2）有线电视信号长距离无电中继传输 这里指的是1550nm AM-VSB CATV系统进行点对点无电中继长距离传输。为了实现长距离传输，就必须提高前端的人纤光功率，以保证接收端有足够的接收光功率，满足系统对CNR指标的要求。系统中光发射机光源采用线宽极窄的分布反馈激光器（DFB Laser），调制方式必须采用外调制方式，否则会受光纤色散的限制，无法实现长距离传输。 在现有光纤CATV网络中大量采用的是G.652光纤，也就是我们所说的普通光纤。在窄线宽光源下，它的受激布里渊散射（SBS，Stimulated Brillouin scattering）阈值在10mW以下，光纤的受激布里渊散射现象制约了光纤中传输光功率的提高。因此1550nm CATV光发射机的生产厂商都采用SBS抑制技术来提高SBS阈值，目前生产厂家可以达到的水平是SBS阈值从16.5dBm-21dBm不等。SBS阈值的提高，可以增大注入到光纤中的光功率，从而扩大了线路中继光放大器的间距，延长了系统的传输距离。 理论和试验已经证明，在1550nm外调制CATV光纤传输系统中，制约系统指标的主要因素是二阶非线性失真CSO的指标。1550nm传输系统中的色散是导致CSO恶化的主要因素。众所周知，普通光纤在1550nm波段的色散系数为17ps/nm/km，长距离传输会造成CSO的急剧恶化。以下是国内一家公司对1550nm长距离传输进行测试的结果： (a)无中继一级传输 1550nm光发射机EDFA，入纤光功率165dBm，传输505Km后，经光衰减器，在0dBm接收光功率条件下测试。 (b)一级光中继两段传输 在(a)情况下，50.5Km光纤输出的光信号直接进入第二级光放大器（输入光功率为十53dBm），光放大器注入到光纤中的光功率为十17dBm，光信号传输53km，经光衰减器，在0dBm接收光功率条件下测试，传输总长度为50.5km+53.3km=104km。 (c)两级光中继三段传输 在(b)情况下，用光放大器进行光中继，在传输66.5km,传输总长度为50.5km665km 170km。 指标测试结果见表1。 表1 指标测试结果（PAL制，550Mhz系统全频道） 由此可见，CNR指标在传输了170km后最多恶化了不到6个dB。而系统的非线性指标CTB、CSO，尤其是高端CSO指标下降很大。理论分析证明,光纤本身的色散作用以及光纤中的自相位调制（SPM）引起的光频调嗽（chirp）造成的色散，是影响1550nm模拟CATV系统进行长距离传输的两个主要因素。 2. CATV系统中的色散补偿技术 本文将具体介绍色散补偿技术在1550nm模拟CATV传输系统中的应用。通过色散补偿技术补偿普通单模光纤在1550nm 处的色散值是一种有效的方法，已经在数字长途光通信领域内得到广泛应用。本文提出利用色散补偿技术实现对模拟CATV传输系统进行色散补偿。 已经商用化的色散补偿器件主要有两种：色散补偿光纤和啁啾光纤光栅补偿模块。 色散补偿光纤（DCF）是一种特制的光纤，不同于普通光纤，色散补偿光纤具有较大的负色散系数，典型值为-80至-500ps（nmkm）；普通光纤的色散是正的，为17ps（nmkm）左右。对于传输长度为L公里的传输线路，选择合适的长度色散补偿光纤使其色散量与17*L（ps/nm）相近，将这样长度的色散补偿光纤串联到光缆传输系统中就可以使系统总的光纤色散趋近于零，实现了色散补偿。色散补偿光纤是一种较成熟的色散补偿器件。到1994年，色散补偿光纤已经进入了商品应用阶段，已经在全世界的高速数字通信线路中获得了广泛的应用。色散补偿光纤的主要缺点是衰减较高，通常达到0.41dBkm或更大，比如下文将要介绍的采用色散补偿光纤、（DCF）的系统中，采用的DCF长度为14.7km，DCF的衰减量达到6.5dB；另外，由于DCF光纤的纤芯直径较小，它的非线性效应高，这是色散补偿光纤不能灵活应用到CATV系统中的另一原因。 啁啾光纤光栅色散补偿是最近发展起来的一种十分有前途的色散补偿技术。啁啾光纤光栅实际上就是在普通光纤上用一定的技术刻出变周期的光栅。光纤光栅色散补偿的原理是根据衍射光栅的角色散特性，当光进入到光栅后，波长为光栅周期两倍的光将被反射。不同波长的光在啁啾光栅中反射点的位置也不同，因此入射光波长中的不同波长成分在光栅中走过不同距离，产生不同的时延，从而达到色散补偿的目的。为了得到色散补偿，啁啾光纤光栅的周期是随着光栅的长度线性下降。普通单模光纤（SMF G。652）在1550nm工作窗口处具有正色散（反常色散区），光信号通过光纤传输后，光信号种的短波长成分（蓝移，设位s）比长波长成分（红移，设为l）传得快，因而s比l经历的时延短，光信号从光栅周期大的那端入射（见图2），光信号中的长波长成分l在光栅的前端反射，而短波长成分在光栅的末端反射，这样，在光栅中光信号中的长波长成分将获得比短波长成分更多的时延，此时光纤光栅的色散特性正好与常规光纤的色散特性相反，可以起到色散补偿作用。应用光纤光栅进行色散补偿的主要优点是光纤光栅本身已经商品化，它的插入损耗低，色散补偿量大，体积小，成本低，而且能够与普通光纤完全匹配。 J.H.Su等人，去年曾做了一个十分重要的试验：对一个采用普通光纤传输110km的AM。VSB CATV系统进行色散补偿。下面简要介绍一下这个实验系统。 系统结构框图见图3，系统中采用的光发射机。光接收机。光滤波器。 DCF模块以及CFG模块均为已经商用化的产品。光发射机输出光功率75dBm。光波长155374nm， SBS阈值大于16dBm。测试仪表采用带可调谐射频滤波器的HP8591C。通过调节光衰减器，保持整个测试过程中光接收机的接收光功率固定不变（16dBm）。测试信号来自NTsC制550MHz，80路矩阵信号发生器。每个光放大器的后面都设置了一个光滤波器（OBPF），这样可以滤除光放大器的放大自发辐射（ASE）噪声以及差拍噪声的积累，经测定系统载噪比可以提高约12dB。图中A、民乙0。LLG分别代表了色散补偿器件的插入点位置，分别是：光发射机与光放大器之间、紧跟光放大器后、光放大器的输入端以及光接收机的输入端。光纤总长度为110kin。色散补偿器件分别采用色散补偿光纤（DCF）模块和啁啾光纤光栅（CFG）色散补偿模块。 DCF光纤长度147Km，插入损耗65dB，色散补偿量为一1354pVnm； CFG模块插入损耗小于38dB（包括环形器的擂损），色散补偿量一1437p5nm。 系统测试前。首先测试了背靠背（K田方式下以及无色散补偿传输li0km情况下的两组CSO的频率分布曲线，作为分析参考点；然后分别对采用色散补偿光纤（DC冈以及啁啾光纤光栅（CFG）进行补偿的情况进行测试入测试的条件又分为在不同的插入点进行测试，分别得到AG共7个测试结果， CSO随频率钠分布测试的结果见图4和图5。 从图中可以看到，在没有任何补偿的情况下，经过110km的传输，系统的CSO恶化十分严重，尤其是在频率的高端，已经下降到55db以下。 采用DCF补偿的情况见图4，最佳补偿点在C点，也就是在第二个光放大器的输入端进行补偿，系统的CSO指标完全高于60db。对于CFG补偿方式，在B,C,A,D点进行补偿，都可以达到CSO大于60db，其中最佳补偿点在B点。为什么会这种现象呢？这是因为，光纤中自相位滴制（SPM）现象产生的光频率啁啾（Chirp）是随着输入到光纤中的光功率的增加而增大，同时随着光纤长度的增加， SPM效应引起的调嗽以及光纤本身的色散也增大，造成系统的CSO指标迅速恶化。色散补偿器件有插入损耗，使实际注入到光纤中的信号功率降低， 也削弱SPM效应。由于EDFA的输出功率的饱和特性，色散补偿器件插入到EDFA后同插入到EDFA前相比，实际注入到后续光纤中的信号光功率要减小；因此，后续光纤因SPM而产生的啁啾也要小一些，所引起的色散也会减小一些，这也就意味着当色散补偿器件插入到EDFA后面时会产生更多的补偿量。 由于DCF色散补偿器件的插入损耗比较高，会大大削弱其后续光纤产生的SPM效应，但是由于DCF的等效纤芯面积（大约20um2）比普通单模光纤要小许多，当较大的光功率注入到DCF中，Ker非线性效应产生的SPM引起的啁啾会比普通单模光纤要强。在用DcF进行色散补偿的系统中，当DCF处于A或B的位置，系统处于欠补偿状态；当DCF处于C点以后的位置时，系统处于过补偿状态。在C点处补偿时，系统色散最接近零。所以，在A到C点各个位置分别插入DCF补偿器件，系统的CSO指标从A点到C点是升高的，从C点到下点是降低的。DCF色散补偿器件的最佳插入点是C点，色散补偿量可以达到6dB。 对于CFG补偿方式，当CFG插入到A点处，系统处于欠补偿状态，当插入到B点以后的各个位置时，系统处于过补偿。在日点处的等效色散最接近零，所以在A到6各个位置分别插入CFG色散补偿器件，系统的CSO指标从A点到B点是升高的，从B点到G点是降低的。 CFG色散补偿器件的最佳插入点是B点，色散补偿量可以达到16dB。对比试验结果，可以看出，基于系统设计和系统性能的角度，采用CFG比DCF更具有优越性。若假设光栅长度为Lcfg，光栅前后两端反射的波长差为=02nm，光纤有效折射率neff145，那么上文所用光栅的长度为LcFG色散补偿值c /2neff3cm，足可见光纤光栅的补偿能力。 3. 采用色散补偿时系统的CNR和CTB指标的变化 采用色散补偿后，系统的其他指标的变化是我们必须注意的问题。图6和图7是在最佳补偿点时，系统CNR、CTB的变化情况对比。从图6可以看到采用DCF和CFG都会对系统载噪比造成劣化，这主要是因为色散补偿器件的损耗，造成后级光放大器的实际输入光功率同无补偿时相比下降不少，造成系统CNR所以参照图3，在采用啁啾光栅（CFG）在B点进行补偿时，可以适当提高EDFA1的输出光功率（不用担心超过SBS阈值）就完全可以恢复到原有值。而采用DCF进行色散补偿时，由于DCF的插入