（通信与信息系统专业论文）超长距离模拟光纤传输中色散补偿技术的研究.pdf

摘要 随着中国广电网络规模的扩大及向运营级网络的发展，出现了两种趋势，一 是有线电视的大范围( 地市级) 联网，二是光纤向小区、楼栋同益延伸，实现光 纤接入f t t x 基础上的三网融合。这两种趋势都对副载波复用电视长距离光纤传 输系统提出了新的挑战和要求。超长距离光纤c a t v 传输系统的主要问题是由 色散和自相位调制( s p m ) 引起的系统c s o 指标的严重劣化。本文主要针对 1 5 5 0 n m 超长距离光纤c a t v 传输系统色散补偿问题进行了研究。 第一部分介绍了光纤有线电视网的主要技术指标及其要求，分析了超长距离 光纤c a t v 传输系统的组成，说明了在长距离传输时只可采用1 5 5 0 n m 波长。并 详细研究了色散及s p m 对超长距离光纤c a t v 传输系统的影响。同时介绍了现 阶段国内外对超长距离c a t v 传输系统中色散补偿问题的研究现状。 第二部分采用微扰法求解了非线性薛定谔方程，得出了在存在s p m 和色散 的情况下，多级e d f a 级联系统c s o 指标的计算公式、啁啾光纤光栅对色散的 睬i 、偿效果，并对先前得到的c s o 指标的计算! 公式进行修正，指出色散补偿器的 位置对补偿效果有较大影响。并进行了1 5 5 0 如长距鹩光纤c a t v 系统的实验， 验证了理论结果。 第三部分研究了e p m 对超长距离光纤c a t v 传输系统c s o 指标的影响， 发现由于e p m 的存在，c s o 指标会在某一距离降为最佳，随后快速增加。同时 得出了s p m 、e p m 与色散同时存在的情况下，系统c s o 指标的计算公式。再采 用啁啾光纤光栅对系统进行色散补偿，得出色散补偿后的c s o 指标计算公式， 并利用计算机仿真证实了公式的准确性。 第四部分研究了由模拟系统向数字调制系统整体平移后m e r 指标的计算公 式，及采用色散补偿光纤d c f 进行有线电视系统色散补偿的最佳d c f 长度的理 论计算方法。最后给出了采用d c f 色散补偿的5 6 0 k m 数字调制光纤传输系统的 实例。 关键词：有线电视，长距离传输，色散补偿，自相位调制，外相位调制，组合二 阶互调， ， v a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n ab r o a d c a s ta n dt v n e t w o r k s ，t h e r ea r et w ot r e n d s t o w a r dt h ef u t u r e t h ef i r s ti st h el a r g e s c a l en e t w o r ke x p a n d i n gf o rt h ed i g i t a l t e l e v i s i o n d e l i v e r y , a n dt h es e c o n di st h ee x t e n s i o no ff i b e rt ot h eb u i l d i n g s i n c r e a s i n g l y , s ot h a tt h ec o n v e r g e n c eo ft e l e p h o n en e t w o r k ，c o m p u t e rn e t w o r ka n d c a t vn e t w o r kc a nb ea c h i e v e d t h e s et w ot r e n d sp u tf o r w a r dt h en e w c h a l l e n g e st o t h el o n gd i s t a n c es u b - c a r r i e rm u l t i p l e x i n gf i b e rc a t v s y s t e m s i nt h el o n gd i s t a n c e f i b e rc a t vs y s t e r n s ，t h em a i np r o b l e mi st h es e r i o u sd e t e r i o r a t i o no ft h ec o m p o s i t e s e c o n do r d e ri n t e r m o d u l a t i o n ( c s o ) c a u s e db yf i b e r d i s p e r s i o na n ds e l f - p h a s e m o d u l a t i o n ( s p m ) t h ec o m p e n s a t i o no ff i b e rd i s p e r s i o ni n155 0 n ml o n gd i s t a n c e f i b e rc a t vs y s t e m si si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i si n t r o d u c e st h em a i nt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n sa n d r e q u i r e m e n t so ft h ef i b e r - o p t i cc a t vn e t w o r k sa n da n a l y z e st h ec o n s t i t u e n t so ft h e l o n gd i s t a n c ef i b e rc a t vs y s t e m s i ti se x p l a i n e dw h yo n l y15 5 0 n mw a v e l e n g t hi s s u i t a b l ef o rt h el o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o no fc a t v s i g n a l s t h e ni ti ss t u d i e dt h a tt h e l o n gd i s t a n c ef i b e rc a t vs y s t e m sa r ei n f l u e n c e db yf i b e rd i s p e r s i o na n ds p m f i n a l l y , i ti n t r o d u c e st h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e sa r eg e n e r a l l yi n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r ti sd e a l i n gw i t ht h es o l u t i o no fn o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o no f l i g h t w a v ee l e c t r i c a lf i e l di ns i n g l e - m o d ef i b e rb yt h ep e r t u r b a t i o nm e t h o dw h i c h r e s u l t si nac s of o r m u l aa f f e c t e db yf i b e rd i s p e r s i o na n ds p mi nal o n gf i b e rl i n k w i t hc a s e c a d e de d f a s t h e ni ts t u d i e st h e o r e t i c a l l yt h ec h i r p e df i b e rb r a g g g r a t i n g s e f f e c to nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n dm o d i f i e st h ec s of o r m u l a i ti sp o i n t e do u t t h a tt h ee f f e c to fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni ss e n s i t i v et ot h ec o m p e n s a t o rp o s i t i o n a n di ta l s om a k e se x p e r i m e n t so n15 5 0 n ml o n gd i s t a n c ef i b e rc a t vs y s t e m st o s i m u l a t et h er e s u l t sa n d v e r i f yt h et h e o r y t h et l l i r dp a r ts t u d i s ee x t e r n a l p h a s em o d u l a t i o n ( e p m ) e f f e c to nc s o d i s t o r t i o n i nl o n gd i s t a n c ef i b e rc a t vs y s t e m s s i n c et h ee x i s t e n c eo fe p m ，i tf i n d st h ec s o i s r e d u c e dt ot h eb e s ti nad i s t a n c e ，a n dt h e ni n c r e a s er a p i d l y m e a n w h i l e ，i to b t a i n sa c s of o r m u l aa f f e c t e db yf i b e rd i s p e r s i o n ，s p ma n de p mi nal o n gf i b e rl i n kw i t h v i c a s c c a d e de d f a s t h e ni ts t u d i e st h e o r e t i c a l l yt h ec h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g s e f f e c to nd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n dm o d i f i e st h ec s of o r m u l a a n di ta l s o s i m u l a t et h er e s u l t sa n dv m f yt h et h e o r y t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e st h em e rd e f i n i t i o nt od e s c r i b et h er e q u i r e m e n to f t r a n s m i s s i o nq u a l i t yt od i g i t a lt e l e v i s i o nd e l i v e r ys y s t e m s al o n gd i s t a n c ef i b e r - o p t i c c a t vs y s t e mw i t has e c t i o no fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) i sa n a l y z e dt o f o r m u l a r i z et h ei m p r o v e m e n to fc s os p e c i f i c a t i o n f i n a l l y , a l le x a m p l eo f5 6 0k m o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sp r e s e n t e dw h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fs p m a n d d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb yu s i n gd c e k e y w o r d s ：c a t v ，l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，f i b e rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ， s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ，e x t e r n a l - p h a s em o d u l a t i o n ，c s o i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名：亟晕塑p e t 期：尘割。矽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 巨宴盆每导师签名：乏鲤 日期： i i 墨竺翌差碧励纱 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 由于1 9 8 9 年大功率、高线性d f b 激光器的发明和商用，使在一根光纤中同 时传输几十路射频电视节目的副载波复用( s c m ) 光纤传输系统得以诞生【1 1 ，随 后经历了多年的开发和应用，残留边带调幅( a m v s b ) 和数字调制( m q a m ) ( 统称为r f t v ) 光纤传输系统作为有线电视的主要传输手段已经在中国和世 界广泛应用2 弓】，在中国依靠这种副载波复用光纤电视传输系统，加上后续的同 轴电缆分配网( 光纤同轴混合网( h f c ) ) ，已经覆盖了近1 4 亿家庭用户。 传统的h f c 网是将前端的射频电视信号通过光纤发向光节点，在光节点变 换为电信号后，通过树形的同轴分配网送到用户，一般一个光节点服务5 0 0 个用 户，在同轴分配网上需要2 - - 3 级电放大器以补偿电缆衰减。h f c 网的结构如图 1 1 所示。 图1 1 传统的h f c 网 f i g 1 - 1 c o n v e n t i o n a lh f cn e t w o r k 为了提高h f c 网的频带利用率和提供数字业务，广电部门开展了以数字平 移为主要内容的数字化改造，将传统的模拟电视改为数字电视。近几年来，随着 无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 技术的发展及g p o n 、e p o n 等国际 标准的制定，将p o n 技术作为实现新一代f t t x 的首选技术早已成为通信业界 的共识。中国电信已对多个e p o n 厂家的设备进行了全面的互通性测试，准备 在有条件的地区推行f t t x ，以提高用户的带宽，开展以m t v 为代表的下一代 宽带业务。 随着i p t v 的兴起，传统r f t v 的地位受到了挑战，但r f t v 很高的频带 利用率和在传送广播视频方面的优势决定了在未来相当长一段时间内会出现 r f t v 和i p t v 并存的局面。由于p o n 的结构与广电光纤网络的无源分配结构 是一致的，因此在现有的广电网络上叠加e p o n 网络从经济性和技术先进性方 面来说是对广电网络进行双向化改造的最佳方案。 e p o n 采用1 3 1 0 n m 作为上行波长，1 4 9 0 n m 作为下行波长，所以原有的 r f t v 广播视频业务应该采用1 5 5 0 n m 波长，以实现三波长共纤传输。 中国广电h f c 网络是由各地自筹资金独立建设的，每一个市县甚至乡镇的 网络都是相对独立运行的。为了实现广电网络向运营级网络的转变，从九十年代 末起广电网络一直在进行自身的整合，从中央到省再到地市级形成两级的骨干网 络，主要采用s d h 环网，这一步已基本完成，实现了节目源的传输与共享。在 地市以下，通过干线或超干线实现有线电视网络的大范围联网。现有两个因素促 使这种大范围联网需求的增长，一是模拟电视到数字电视的平移；二是农村广播 电视的扫盲( 村村通) 。前者由于从节目制作到信号传输的各个环节都要逐步数 字化，昂贵的数字电视源设备( 如编码器、视频服务器等) 通常只能装设在地、 市级电视台，所产生的节目要用光纤传送到各个县和乡；后者则要求网络进一步 伸展到村。于是在中国各地普遍出现了要求副载波复用光纤传输系统传输 1 5 0 3 0 0 k m 的呼声。在国外如果要传输这样的距离，必然采用s d h 基带数字光 纤传输系统，中国的国情不同，一方面要模数兼容，一方面要节省投资，经过论 证，地、市以下联网采用副载波复用光纤传输系统比较适宜。 要进行r f - t v 的超长距离传输，当然应采用1 5 5 0 n m 波长，因为在1 5 5 0 n m 波长石英光纤的损耗最低( o 2 d b k m ) ，又可以利用掺铒光纤放大器延长传输距 离。但是常规单模光纤( i t u tg ；6 5 2 ) 在1 5 5 0 n m 波长的色散常数高达 2 1 7 p s k m 咖。光纤在长距离上的强烈色散和光纤在大功率下的非线性效应( 如自 相位调制) 相结合，会导致副载波复用光纤传输系统的非线性指标组合二阶 互调( c s o ) 大大劣化，同时载噪比受到制约。如何对付这个问题，是对超长距 离副载波复用光纤传输系统的最大挑战。 综上所述，随着中国广电网络规模的扩大及向运营级网络的发展，出现了两 种趋势，一是有线电视的大范围( 地市级) 联网，二是光纤向小区、楼栋日益延 伸，实现光纤接入f t t x 基础上的三网融合。这两种趋势都对对副载波复用电视 长距离光纤传输系统提出新的挑战和要求。本文对1 5 5 0 r i m 超长距离光纤c a t v 传输系统中色散补偿进行了理论、仿真和实验研究，目的是推进我国有线电视网 向纵深方向发展，真正实现运营级的广电网络。 1 2 国内外研究状况和进展 国际上对光纤色散和光纤非线性所造成的1 5 5 0 n m 副载波复用光纤传输系统 的质量损伤的探讨从上一世纪九十年代中期开始。采用窄线宽的d f b 激光器和 铌酸锂外调制器，避免了光源波长啁啾与光纤色散结合导致信号的非线性失真； 对铌酸锂强度调制器调制特性的非线性作预失真电路补偿；在铌酸锂强度调制器 上叠加相位调制，提高光纤的受激布里渊散射( s b s ) 门限值，避免系统的载噪 比损伤。这些都是已有的研究成果。 但是对光纤中的自相位调制现象始终没有有效的克服办法，以致于当传输距 离总长大于1 5 0 k m 时自相位调制成了造成副载波复用光纤传输系统c s o 指标劣 化的首要因素。解决办法之一是在光发送机内对发送光波施加外相位调制 ( p r e - c h i r p ，预啁啾) ，使其产生的效果与自相位调制的后果抵消。但这种抵消 只发生在一个特定的距离，在这个距离以前的各点c s o 比没有预啁啾时还要差。 办法之二是实行对光纤的色散补偿。由于光纤中的自相位调制要通过光纤色散才 能转化为额外的光波强度调制，人们希望从控制光纤色散的角度来克服光纤非线 性的影响，控制措施有： 1 、采用大有效截面的非零色散位移单模光纤( r r u tg 6 5 5 ) 。 可采用c o m i n g 公司的l e a f 光纤，它在1 5 5 0 n m 波长的色散常数很小，就可 以避免长距离上的c s o 劣化。这个措施的成本较高。在i t u tg 6 5 2 常规单模 3 光纤已经铺设的前提下不可取。 2 、对r r u tg 6 5 2 光纤链路施加色散补偿。 色散补偿可用色散补偿光纤( d c f ) 或色散补偿模块( d c m ) 实现。d c f 昂贵且插入损耗大，故应用受限。d c m 有g - t 腔和光纤b r a g g 光栅等，其中线 性啁啾b r a g g 光纤光栅讨论较多。 迄今为止，人们设计光纤b r a g g 光栅并研究其应用效果都是针对数字通信系 统。我们在实验中发现，数字通信使用的光纤光栅d c m 在副载波复用光纤传输 系统中使用时效果并不好。从色散补偿原理看，光纤光栅d c m 被放在光纤链路 中哪个位置都一样，只要链路的总色散被降低到容许数值即可，但光纤光栅d c m 被放在副载波复用光纤传输系统中的各部分，其补偿效果是不同的。即使c s o 指标被改善了，电视图像仍然有背景干扰，据初步分析，这是光纤光栅的时延抖 动对信号产生了新的互调干扰。由于超长距离副载波复用光纤传输系统在国外采 用不多，这些问题没有引起重视。 在上述的背景下，超长距离副载波复用光纤传输系统中的非线性失真问题和 系统设计问题还是一个悬而未决的问题。由于这些问题的解决涉及了光纤系统中 的复杂的物理过程，一系列现象和问题，如在光源预啁啾和光栅色散补偿条件下 光纤中非线性薛定锷微分方程的求解；光放大器( e d f 舢一色散补偿器( d c m ) 多 级级联链路中e d f a d c m 最佳位置和最佳参数( 增益，时延) 的求解等等都有 待进行理论分析和实验验证。 研究的目的是深入观察发生在超长距离副载波复用光纤传输系统中的物理 现象，弄清楚在多级e d f a 级联时色散和自相位调制对组合二阶失真的影响，推 导出兼顾载噪比和非线性失真指标的超长距离副载波复用光纤传输系统的优化 设计方法，推进我国有线电视网向纵深方向发展。 1 3 论文主要内容 本文以对超长距离光纤c a t v 传输系统中色散补偿技术的研究为线索，主 要内容安排如下： 第一章为绪论，指出了为把有线电视网继续扩大，就要应用1 5 5 0 r i m 超长距 离光纤c a t v 传输系统，从而引出了本文研究的目的和意义。同时指出了1 5 5 0 n m 4 超长距离光纤c a t v 传输系统的主要问题在于色散补偿。最后分析了现阶段国 内外对超长距离c a t v 传输系统中色散补偿问题的研究现状。 第二章论述了光纤有线电视网的主要技术指标和1 5 5 0 n m 超长距离光纤 c a t v 传输系统的组成。并详细研究了色散及非线性失真对1 5 5 0 n m 超长距离光 纤c a t v 传输系统的影响。最后分析了该系统中几种可用的色散补偿方法。 第三章研究了超长距离光纤c a t v 传输系统的色散补偿问题。根据非线性 薛定谔方程得出了在存在s p m 和色散的情况下，多级e d f a 级联光纤c a t v 系 统c s o 指标的计算公式。采用啁啾光栅进行色散补偿，修正了先前得到的c s o 指标的计算公式，证实了色散补偿器的位置对补偿效果具有较大影响，并给出了 v p i 软件的仿真验证结果。同时对超长距离光纤c a t v 传输系统进行实验，论证 了本章所推公式。 第四章主要研究了外相位调制( e p m ) 对超长距离光纤c a t v 传输系统c s o 指标的影响，发现由于e p m 的存在，c s o 指标会在某一距离降为最佳，随后快 速增加。同时得出了s p m 、e p m 与色散同时存在的情况下，系统c s o 指标的计 算公式。再采用啁啾光纤光栅对系统进行色散补偿，得出色散补偿后的c s o 指 标计算公式，并利用计算机仿真证实了公式的准确性。 第五章给出了由模拟系统向数字调制系统整体平移后m e r 指标的计算公 式，及采用色散补偿光纤d c f 进行色散补偿的最佳d c f 长度的理论计算方法。 最后给出了一个包含超长跨距拉曼放大、d c f 色散补偿的5 6 0 k i n 数字调制光纤 传输系统的实例。 第六章总结了本文的主要贡献，并指出了下一阶段的工作方向。 本文的主要创新点和成果如下： 1 、采用微扰法求解了单模光纤中光波电场的非线性薛定谔方程，得出了在 存在s p m 、e p m 和色散的情况下，多级e d f a 级联光纤c a t v 系统c s o 指标 的计算公式，证实了文献【2 9 1 给出的公式的正确性，并通过仿真和系统实验对理 论模型进行了验证。 2 、在采用啁啾光栅进行色散补偿时对c s o 指标的计算公式进行修正，指出 色散补偿器的位置对补偿效果具有明显的影响，给出了色散补偿器最佳位置的计 算公式，并通过仿真和系统实验对理论模型进行了验证。这一方面前人未有报道， 是本文主要的理论创新成果。通过理论模型计算得出的色散补偿器最佳位置对工 5 程应用具有实际指导作用。 3 、给出了由模拟系统向数字调制系统整体平移后m e r 指标的计算公式， 及采用色散补偿光纤d c f 进行有线电视系统色散补偿的最佳d c f 长度的理论计 算方法。分析了目前国内最长的包含超长跨距拉曼放大、d c f 色散补偿的5 6 0 k m 数字调制光纤传输系统的设计、指标计算及测试结果。 6 第二章超长距离光纤c a t v 传输系统的发展 2 1 超长距离光纤c a t v 传输系统的技术指标 有线电视网的长距离大范围联网是符合广电网络自身整合的需求的，可以极 大减少前端设备的投资。1 5 5 0 r i m 超长距离光纤c a t v 传输系统面临着很多问题， 主要是由色散和自相位调制( s p m ) 效应引起的组合二阶失真( c s o ) 指标的急 剧劣化的问题。 2 1 1 主要技术指标 超长距离光纤c a t v 传输系统的主要指标是衡量系统噪声性能的载噪比 ( c n r ) 和衡量其非线性失真的组合二阶互调失真( c s o ) 、组合三阶差拍失真 ( c t b ) 【2 1 。 载噪比( c n r ) 在c a t v 网络中，载噪比主要决定于系统的噪声特性，噪声主要来源于光 发送机、光接收机及光纤放大器等有源传输设备。噪声的构成除了电子电路热噪 声( 白噪声) 外，还有光电转换散弹噪声和激光器本身产生的相对强度噪声 ( r i n ) 。虽然这些噪声与电路噪声相比有不同的产生机理因而具有不同的特性， 但它们对图像质量的影响都是导致背景雪花，使图像结构粗糙，清晰度下降，对 比度变差和层次减少。 在我国有线电视的行业标准中，载噪比定义是：图像载波电平的有效值与等 效噪声带宽内( 对于p a l d 制式，等效噪声带宽为5 7 5 m h z ) 系统噪声电平的 均方根值之比，用d b 表示即为： c n r = 2 0 i g 丽嚣簇署( d b ， 当用户端口的载噪比达不到收视标准时就会出现雪花噪声，当载噪比低于 4 3 d b ，如3 9 d b 的时候，就可以观察到荧光屏背景上的雪花噪声了。 光纤链路中的各种端面对光波的反射也会使载噪比降低。 组合二阶互调( c s o ) 光纤有线电视系统的非线性失真主要来源于直接调制激光器或外调制器的 7 非线性，以及光纤的色散、非线性和光路反射等因素。光探测器和前置放大器的 非线性影响较小。 组合二阶互调c s o 定义为落在被测频道内某频点上的所有二阶互调产物的 总功率与该频道载波功率之比，用d b c 表示，其值为负。或等效定义为载波组 合二阶互调比c c s o ，即被测频道载波电平峰值与落入被测频道内的成簇的组 合二阶互调产物的峰值电平之比。用d b 表示，其值为正。 c 螂。瑚1 0 8 丽瓣蔟篙答黼鬲丽爵( d b ， c c s o 指标达不到收视标准时( 5 5 d b ) ，电视接收机上则会出现网纹状的 干扰。c s o 失真主要由系统的非线性传输特性的偶阶项( 主要是二阶项) 失真 造成的，表现为信号波形的对称性失真。在1 5 5 0 r i m 光纤传输系统中，光纤的色 散会引起传输信号波形展宽，从而导致射频模拟电视信号的c s o 劣化。 组合三阶差拍( c t b ) 组合三阶差拍c t b 定义为落在被测频道内某频点上的所有三阶差拍产物的 总功率与该频道载波功率之比，用d b c 表示，其值为负。或等效定义为载波组 合三阶差拍比c c t b ，即被测频道载波电平峰值与落入被测频道内成簇的组合 三阶差拍杂波的峰值电平之比。用d b 表示，其值为正。 c 朋一嘶g 丽丽意籍鬻篱丽衙c d b ， c c t b 达不到收视指标时，在电视接收机的图像上产生雨刷条纹的干扰症 状。在a m v s b 多路信号c a t v 传输系统中，主要由激光器的削波效应引起， 不仅导致三阶项，而且导致更高奇阶项的非线性失真。三阶非线性失真表现为信 号波形的奇对称畸变，因而光纤色散引起的三阶非线性失真往往很小。 2 1 2 指标要求 根据我国行业标准，h f c 网的三大性能指标要求( c t b 、c s o 、c n r ) 如 表2 - 1 所示( 单位：d b ) 。 表2 1h f c 网指标要求 淡 前端光节点同轴干线用户端 指标( 血叭 c c t b6 56 05 5 c c s o 6 0 6 05 5 c n r5 54 84 84 3 2 2 超长距离光纤c a t v 传输系统的组成 在光纤c a t v 网络中，有两种波长光纤传输系统。一种是1 31 0 n m 光纤传输 系统。在1 3 1 0 n m 窗口，光纤传输损耗约为0 4 d b k m ( 含熔接损耗在内) ，色散 系数为 3 5 p s ( k m n m ) ，激光发送机都采用直接调制方式，具有较高的载噪比及 非线性失真指标，性能稳定可靠。但在1 3 1 0 n m 窗口由于没有商用的光放大器， 激光器输出功率也不大( 商用化 2 0 m w ) ，因此传输距离有限，无中继的传输距 离在3 0 k i n 以内。 另一种是1 5 5 0 n m 光纤传输系统，激光发送机采用外调制方式，以克服激光 器直接调制产生的光频啁啾( c h i r p ) 效应，防止光谱的展宽，1 5 5 0 n m 光纤放大 器技术相当成熟和商用化，所以1 5 5 0 n m 传输系统具有输出功率大、可靠性高、 单位光功率成本低、光纤损耗小( 含熔接损耗在内约为0 2 5 d b k m ) 等优点，并 且能够进行多次光放大，而光放大器对c t b 和c s o 指标几乎没有影响，非常适 合我国地级市一县一乡的两级大范围长距离传输。但在普通g 6 5 2 光纤上1 5 5 0 n m 窗口光纤的色散较大( 1 7 p s k m n m ) ，会限制长距离的传输，图2 1 为1 5 5 0 n m 长距离传输系统的示意图。 5 0 k m5 0 k m 图2 11 5 5 0 h m 长距离传输系统 f i g 2 1l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o no f 15 5 0 n mo p t i c a ls y s t e m 在15 5 0 n m 长距离传输系统中，要求每个光节点的指标都要满足表2 一l 的要 求。对于现有传输设备或系统，在这三个指标中，c t b 指标最容易满足，c n r 与光纤放大器的输入光功率、噪声系数及其级联数有关，通过精心设计也基本能 9 满足要求。相对困难的是c s o 指标。 从技术的角度来看，限制超长距离光纤c a t v 传输的因素主要包括光纤损 耗、色散和自相位调制。由于掺铒光纤放大器的出现，损耗不再是限制系统传输 距离的因素，这样，色散和自相位调制就成为当前超长距离光纤c a t v 传输传 输系统的主要限制因素。 2 2 1 色散限制系统 色散是指光源光谱中不同频率的光波在光纤中的群时延差引起的光信号( 光 波强度包络) 展宽现象。在数字光纤通信系统中，光脉冲的展宽导致临近的光脉 冲相互重叠( 码间干扰) ，从而造成数字系统的误码。在模拟光纤传输系统中， 光信号的展宽就是波形失真。 光纤通信利用的是光的全反射原理进行信号传输的，不同波长光波在光纤中 具有不同的传播速率，这个现象称为“色散( d i s p e r s i o n ) ，表现为不同波长的 光波由发射端到达接收端的时间不同，即光纤对光信号中的不同频率成分产生不 同程度的时延，最终导致光信号波形在到达光纤链路末端时比入纤时展宽而失 真，其失真程度随着光缆长度的增加而增强。 光纤有3 钟基本的色散效应：模间色散、偏振模色散、色度色散。 模间色散 模间色散是由多模光纤( m m f ) 中不同空间模式的传输速率不同引起，影 响信号在多模光纤中的传输距离。 偏振模色散 由于光纤结构的不对称性，单模光纤中的传输模式是两个互相正交的极化 ( 偏振) 模式。光纤形状的圆对称不严格、安装或制造时的挤压或弯曲、温度的 变化等因素造成光纤内部产生多种应力并导致应变等等，这些因素造成两偏振传 输轴上的等效折射率随机不等，进而导致两个偏振模式的传输速率不同，因而接 收的光信号波形展宽，这种现象称为偏振膜色散( p m d ) 。 色度色散 色度色散是由二氧化硅的折射指数随频率变化，即光纤的纤芯和包层之间的 功率分布随波长变化而造成的光波波形展宽现象。 当发送光信号时，对光波进行强度调制不可避免的也造成了相位调制。另外， 1 0 为了抑制受激布里渊散射而采用的激光器光频抖动法也产生了寄生相位调制。已 调波的相位变化对应着光谱展宽。在色散介质中光波不同的波长分量有不同的群 速度，因此在光纤传输端，形成不同延时的包络分量的叠加，表现为光波的包络 失真，从而导致c s o 的恶化，如图2 2 。 藿：诺要；炎薯莲薹j 鬻鬟霉 ：， n 乓j t - 、t - 。_ ，1 。 _ t 一、二、。 棼，：! 雾够。舔鞲豢熬澎瓣耩器嚣嚣瓣鬻 溪瑟瑟瑟蓊纛烈光纤包层i 冀：，：x ：夸：章：y ：i ：囊二y ：，：钟砖：o 以：! _ f 霄1 。 i ：鹭；j：；j搴j：薹：暑：?j：葛ji薹。i：i：善jj!：j：尊：霉蔑i；：；：!一 图2 2 光纤的色散导致光波波形展宽 f i g 2 2p u l s eb r o a d e n i n gc a u s e db yf i b e rd i s p e r s i o n 对于超长距离光纤c a t v 传输系统，起主要作用的是色度色散。 在1 5 5 0 n m 超长距离的光纤c a t v 传输系统中，光纤色散不可忽略。特别是 g 6 5 2 常规单模光纤，色散常数高达1 7 p s ( n m k m ) ，必须考虑色散常数对系统的 影响。 2 2 2 自相位调制限制系统 自相位调制是光纤中的一种非线性现象。当光纤中的光波太强时，由于强电 场引起的s i 0 2 分子的非线性极化( k e r r 效应) ，使得光纤折射率，z 出现与光强成 正比的成分： 行= 刀o + ，1 2 h 2 ( 2 - 1 ) 其中n 。为常规折射率，刀：为折射率的非线性系数，彳为光波电场复包络。 由于光波的相移常数为= 砌，豇= 等，刀：项的出现使得光波的相移y ( z ，f ) 多了一个依赖于强度的增量 少( z ，z ) = 一七- 玎：l 么1 2 z = 一k - ”：x ( z ，f ) z ( 2 2 ) 而强度x g ，f ) 是受信号调制的，于是由于刀：的存在使光波相位也同时受到信 号调制，这个现象称为光波的自相位调制( s p m ) 。 自相位调制效应会将光信号的频谱展宽。单独的自相位调制不会影响系统性 能。但是，当自相位调制与色散共同作用时频谱展宽会转换为时域波形展宽。在 光纤的正色散区中，由于色散效应，一旦自相位调制效应引起光信号的频谱展宽， 沿着光纤传输的光信号波形将经历较大的展宽。 在15 5 0 n m 波长大功率长距离光纤传输系统中，光纤自相位调制效应对光谱 的调制作用不能被忽略。由于采用a m v s b 方式的c a t v 系统要求接收端有较 大的输入光功率( 如1 d b m ) ，因此相应的入纤光功率要求在1 7 d b m 左右甚至更 高，比数字光通信系统中的发送光功率高出了很多( 数字系统的光接收灵敏度在 - 2 6 - - 3 2 d b m ，发送光功率只需0 d b m 左右) ，使光纤中出现自相位调制效应，它 与g 6 5 2 光纤的很大色散结合在一起，形成相位一强度转换过程，使传输信号的 波形产生比较大的二阶失真，表现为c s o 的严重劣化。 所以如何克服1 5 5 0 n m 长距离光纤传输系统的c s o 指标由于光纤色散和 s p m 效应导致的严重劣化，同时又要满足载噪比指标，是对超长距离副载波复 用光纤传输系统的最大挑战。 2 3 改善超长距离光纤c a t v 传输系统c s o 指标的措施 针对采用g - 6 5 2 常规单模光纤的超长距离光纤c a t v 传输网，人们提出了各 种各样的方案，试图解决色散和自相位调制效应所带来的问题。最为普遍的就是 使用色散补偿光纤( d c f ) 矛d 线性啁啾光纤光栅( c f g ) 或其它d c m 色散补偿模 块进行色散补偿。这几种色散补偿技术已广泛地应用于数字通信的长距离传输中 i h 3 】，效果明显。但在用于c a t v 长距离传输时，由于光纤c a t v 系统的指标 要求严格，在存在s p m 效应的非线性系统中，色散补偿效果并不理想，还有一 些问题尚未解决。以下简要介绍一下现存各种改善系统c s o 指标的方法。 2 3 1 采用色散补偿光纤进行色散补偿 用色散补偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ) 来补偿光纤色散的思想早在 1 9 8 0 年就已提出，但直到1 9 9 0 年e d f a 的出现才加速了其发展进程。 当光从折射率小的介质进入折射率大的介质时其速率变小，对应是正色散， 脉冲展宽。反之光从折射率大的介质进入折射率小的介质中时则是速率增大，对 1 2 应是负色散，脉冲紧缩。由于常规光纤在1 5 5 0 n m 波长上具有正色散，因此我们 在光纤线路的终端可插入一段折射率较干线光纤小的光纤，使该光纤在此波长区 中具有很大的负色散系数，这样就可以使整个线路的色散为零。正是利用这一原 理制造了色散补偿光纤。 色散补偿光纤是通过改变光纤的芯径和折射率的分布使光纤在工作波长上 具有很大的负色散常数，恰好与普通g 6 5 2 光纤的色散相反。这样当普通( 2 6 5 2 光纤与适当长度的色散补偿光纤级联使用时，两者色散将会互相抵消。通常这类 光纤的典型色散常数为1 0 0p s k m n m 左右，而g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 n m 窗口的典型 色散为1 7 p s k m n m ，因而只需用长度为原( 2 6 5 2 光纤长度2 0 的色散补偿光纤 即可基本抵消其色散，使总链路色散值接近于0 。 在数字通信系统中，使用d c f 进行色散补偿是对已铺设光纤线路升级时常 用的方法，具有许多优点。色散补偿光纤是无源器件，性能稳定，安装容易，有 较宽的带宽，可以很方便地用来对现存的系统进行升级。 但d c f 的损耗比较大，在o 5 d b k m 左右，一般每公里d c f 只能补偿1 0 - - - 1 2 公里常规光纤的色散，在进行光纤c a t v 长距离系统的色散补偿时，总损耗 过大，会降低c a t v 系统的另一个指标c n r 。而且d c f 纤芯直径小，非线性效 应强，使d c f 在模拟传输系统中的应用受到了限制。 2 3 2 采用线性啁啾光纤光栅进行色散补偿 在光纤上制成折射率非周期性变化的啁啾光栅( c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) ，就 形成一个宽带光滤波器，它的不同位置对应于不同的b r a g g 反射波长。其色散补 偿原理如图2 3 所示。光信号脉冲在光纤中传输时，由于群速度色散的影响，使 脉冲的前沿频率高，后沿频率低。如果使脉冲的低频分量在光栅的起始端反射， 而使高频分量在光栅的末端被反射，展宽的脉冲将被重新压缩。光栅对低频和高 频分量产生的最大时延差为： a t = 2 l , ( 2 3 ) 名 式中t 为光栅长度，为信号在光栅中的传输速度。 1 3 图2 3啁啾光纤光栅的传输特性 f i g 2 - 3 t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c h i r p e dg r a t i n g 啁啾光纤光栅被认为是最有前途的色散补偿器，原因是光纤光栅体积小、损 耗低、非线性效应小、便于集成，且补偿能力强，光纤光栅制造工艺也发展很快， 性能不断改善。但是光纤光栅只能对特定波长进行补偿，对多波长的传输系统， 必须将不同光栅串连，每个光栅都需要根据传输需要设计其中心反射波长和长 度，这样就增加了工艺难度。对于光纤c a t v 系统来说，一般都为单波长系统， 所以啁啾光栅很适合用于长距离光纤c a t v 系统的色散补偿。本文第三章将给 出采用啁啾光栅进行色散补偿的理论、仿真及实验结果。 2 3 3 采用线性预啁啾技术改善c s o 指标 预啁啾技术是通过对调制信号进行调频( 加啁啾) 再调制光源的方法，该方 法能将光脉冲压窄，从而有效提高光脉冲抗光纤色散的能力。当初始啁啾参量 c = 0 时，