（通信与信息系统专业论文）光纤拉曼放大的长距离catv传输系统的性能研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文的主要研究内容是：1 ) 光纤拉曼放大对长距离1 5 5 0 r i m 外调制a m v s bc a t v 系统性能的影响；2 ) s b s 抑制技术对于超长距离e d f a 级联c a t v 系统的影响。 论文首先从薛定谔方程出发研究了在拉曼放大情况下，为抑制s b s 技术而 造成的光谱展宽在色散作用下对长距离1 5 5 0 r i m 外调制a mv s bc a t v 系统 c s o c d i 的影响。结果表明，不采用高频扰动的系统，相较于存在谱宽展宽后的 e d f a 放大系统，可使由谱宽导致的c s o c d i 值提高约1 8 d b 。同时，结合李凤 勤师姐的对于拉曼放大下a m - - v s bc a t v 系统的自相位调制( s p m ) 导致的 c s o 的改善的研究结果，做出了进一步的计算和讨论。结果显示，在传输距离 较长的情况下，s p m 对链路总c s o 的影响起着主导性的作用。不过，采用拉 曼放大时，无高频扰动依然可以为链路总c s o 带来4 s d b 的附加改善。 其次，论文还讨论了双重瑞利散射噪声( d r b ) 对于不同拉曼放大方式下 c a t v 系统的影响。结果显示，d r b 虽然对系统的载噪比( c n r ) 有一定恶化， 但是通过采用双向泵浦和增加隔离器的数目可以得到补偿。同时，减小光源谱 宽也可对d r b 带来的损伤做出一定的补偿贡献。并结合黄强师兄的“拉曼放大 自发辐射噪声( a s e ) 对c a t v 系统的研究”，综述了采用拉曼放大的长距离 1 5 5 0 r i m 外调制a mv s bc a t v 系统性能。整体结果表明，拉曼放大不仅因其 分布放大特性使系统c s o 得到较大幅度的改善，而且还可以略微提高长距离传 输链路中噪声所导致的c n r 指标。 另外，论文还提出了用附加相位调制技术来克服1 5 5 0 r i m 外调制长距离 e d f a 级联a mv s bc a t v 系统中s p m 对c s o 的恶化。计算结果显示，当系 统传输距离很长且相位调制度p p m 较大又或是q p m 较高时，附加相位调制将大 大干扰接收端c s o 性能。但当b p m 和q ，m 一定时，总存在一个最佳传输长度， 在该长度附近，附加相位调制引入的相位啁啾与s p m 的相位啁啾反向，且在最 佳点上反向匹配，使得s p m 导致的c s o 劣化被完全抵消。并且最佳传输距离 v 上海大学硕士学位论文 与信道频率几乎无关，即在该传输长度上，所有信道的c s o 都可达到理想的c s 0 值。 关键词：拉曼放大，色散，s p m ，c s o ，c n r v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st og i v ea l lo v e r a l lt h e o r e t i c a la n a l y s i s0 nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o n gd i s t a n c e1 5 5 0 h me x t e r n a l l ym o d u l a t e da m v s bc a t v s y s t e md e p l o y i n gf i b e rr a m a na m p l i f i e r s ( f r a ) f i r s to f a l l ，t h ep a p e rg i v e sag e n e r a li d e ao f t h e h i s t o r ya n dp r i n c i p l eo f c a t v f i b e rt r a n s m i s s i o n 。i tc a nb es g g nt h a tf i b e rd i s p e r s i o na n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tl i m i t a t i o n si na n a l o g u ea sw e l la si nd i g i t a l c a t vt r a n s m i s s i o ns y s t e m s e c o n d l y , e f f o r ti sf o c u s e do nc s oo fr a t n a n - a m p l i f i e d1 5 5 0 h me x t e r n a l l y m o d u l a t e dc a t vs y s t e m s t h ep r e v i o u sw o r ko f m yc o l l e a g u eh a ss h o w nt h a tf r a c a ni m p r o v es p mi n d u c e dc s ob ym o r et h a nl o d bb e c a u s eo fi t sd i s t r i b u t i o n a m p l i f i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，ab r o a d e rs i g n a ll i n ew i d t hc a na l s od e g r a d ec s o d i s t o r t i o nu n d e rb i gd i s p e r s i o n s ot h r o u g hs u i t a b l ep o w e rb u d g e t , f r ac a nm a i n t a i n t h es i g n a lp o w e rb e l o ws b s ( s i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) t h r e s h o l da n dh e n c e a v o i dd i t h e r i n go fl a s e r , w h i c hi so f t e nu s e dt os u p p r e s ss b se f f e c t sb yb r o a d e n i n g l a s e rw i d t h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n c r e a s eo fa tl e a s t1 5 d bi nt h et o t a lc s 0c a n b eo b t a i n e db yu s i n gf r aw i t hn od i t h e r i n g i nt h et h i r dp a r t , t h ei n f l u e n c eo fd o u b l er a y l e i g hb a e k s c a t t e r i n g ( d r 8 ) o n c a t vs y s t e m sd e p l o y i n gf r ai si n t r o d u c e d t h r o u g hc o m p u t a t i o n , i ts h o w st h a t f r aw i l lc a u s er e d u c t i o ni nd r bi n d u c e dc n r ( c a r r i e rn o i s er a t i o ) ，w h i c hy e tc a l l b ec o m p e n s a t e db yd e p l o y i n gb i d i r e c t i o n a lp u m p i n gf r aa n do p t i c a li s o l a t o r s a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sw o r ko nr a m a n - a m p l i f i e da s e ，i tc a nb es e e nt h a t d e p l o y i n gf r ac a ni m p r o v ec n rb ya b o u t4 d bc o m p a r e dw i t he d f ac a s c a d e d s y s t e m a f t e rad e t a i l e da n a l y t i c a la n dt h e o r e t i c a ld i s c u s s i o n , t h ep a p e rc o n c l u d e s t h a tf r ai sf e a s i b l ea n dp o t e n t i a li nl o n gd i s t a n c e1 5 5 0 h me x t e r n a l l ym o d u l a t e d a m v s bc a t v k e y w o r d s ：f r a ，s p m ，d i s p e r s i o n ，c s o ，c n r 上海大学硕士学位论文 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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 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： i i 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 8 9 年世界上出现了第一个用光纤传输多路a m - v s b 电视信号成功之后， 光纤c a t v 快速取代了原有的电缆c a t v 干线和分配网络，在用户端保留了电缆 接入，形成了光纤同轴混合网( h f c ，h y b r i df i b e r - c o a x ) 。1 9 9 3 年我国第一个光 纤c a t v 示范网由上海大学通信学院在上海嘉定实现。自此以后，光纤c a t v 技 术一直呈现着迅猛发展的趋势。到目前为止，全国有线电视用户数已达1 亿3 千万 户，其中4 0 0 万户为数字电视用户，光纤有线电视网业已成为人们日常生活学习 娱乐的重要方式和途径，与固定电话、移动通信网及数据网并列称为信息产业的 最主要的基础网络设施。光纤c a t v 网已经全部取代了传统的电缆c a t v 网和大 部分开放的卫星电视技术。相比较于同轴电缆传输c a t v 而言，光纤传输c a t v 具有以下显著优势：1 ) 频道多，传输损耗小，传输质量高，大幅度改善了c a t v 信号的载噪比，延长了传输距离；2 ) 光纤之间几乎无相互干扰，也不受电磁信 号和的环境温度的干扰及影响，从而大大提高整个系统的稳定性和可靠性，同时 降低了网络成本和维护成本。3 ) 只需通过简单的设备增加，便可将h f c 网从广 播式网络改造成交互式网络，成为集电视业务、语音业务及数据业务于一体的全 业务网。 今后的光纤c a t v 网不仅能够以广播方式提供广播电视信号一包括模拟和 数字的，给广大城乡用户，而且能够提供平衡交互的专业数据信号，即面向各行 业所需的专用业务网络和专用数据网络的传输功能，还能提供非平衡交互的公共 数据( i n t e m e t 等) ，包括各类点播、远程信息等这三大业务功能，无论是基于成 本还是基于质量考虑，光纤c a t v 传输网也己成为与i n t e r a c t 数据网、电信网并驾 齐驱的信息产业的全业务基础网络，这也是未来光纤c a t v 的发展方向。 1 2 有线电视光纤传输原理 i 调制器f 坐 混 郎墙 分 调制器p合 配 器器 i 调制器p 图1 1 副载波a m v s bc a t v 传输系统框图 来自c a t v 前端的多频道混合的射频信号，经光发射机进行光强度调制后转 变成光信号，然后由光纤传送到几至几十公里外的光接收机上，在接收机中，光 信号被转换还原成多频道混合的射频信号“1 ，如图1 1 所示，再送入同轴电缆分 配小区分配至用户。光发射机的核心部件是大功率、高线性分布反馈( d f b ) 半导 体激光器，而光接收机的核心部件是半导体激光探测器。 图1 2h f c 拓扑结构图 一般来说，从发射中心至各光接收点采用星形拓扑结构( 如图1 2 所示) ， 随着光纤技术发展和对数据业务的需求，光接收点( o n u ) 越来越向用户端靠拢， 所覆盖的同轴电缆小区范围由初期的约2 k m x 2 k m 范围，级联放大器3 到5 个， 用户实际数目达到2 ，0 0 0 户，到目前的光纤到路边，到楼边，乃至到用户桌面。 目前对一般地h f c 网，考虑到网络升级为双向数据综合网的发展趋势，光节点的 用户数在适当的时候减小为5 0 0 乃至2 0 0 户，以使用户得到更大的数据带宽。 光纤c a t v 系统设备有调幅( a m - v s b ) 、调频( 刚一s c m ) 和数字信道的正交幅度 2 调制( q a m ) 设备几种类型。调幅设备沿用了同轴电缆c a t v 的副载波，因此与同 轴电缆系统兼容，是c a t v 系统中传输模拟电视信号的主要方式。利用射频频率 作副载波，基带信号以调频的方式调制到副载波上，我国主要采用p a l _ d 制式， 副载波的信道间隔为8 m h z ，在5 0 5 5 0 m h z 频带内可以传送5 9 个频道的电视节目。 目前传输双向数据业务的c a t v 系统，上行信道采用5 4 8 5 m h z 的频段，而下行则 采用5 5 0 8 6 0 e t z 的频段作为下行数据频段。 光纤c a t v 系统从传输光波长来看，又分1 3 1 0 n m 波长和1 5 5 0 h m 波长两种。 一般的通信光纤( g 6 5 2 ) 在1 3 1 0 n m 波长上有着较大的传输损耗( o 3 5 d b k m ) ， 较小的色散系数( 3 p s n m k m ) ，而在1 5 5 0 n m 波长上，光纤的损耗最小( 0 2 d b k m ) ，但色散系数较大，约1 7 p s n m k m 。因此，在1 3 1 0 h m 波长上的长距 离传输系统的色散损伤较小。但问题是，到目前为止1 3 1 0 r i m 波长的光放大技术 依然不成熟，不能进入商用，因此长距离光纤传输系统一般都是工作在1 5 5 0 n m 波长，利用成熟的e d f a 进行光信号的直接能量放大，以传输更长的距离和覆盖 更大的区域。 1 2 11 5 5 0 n m 光纤传输系统 由于成本和历史等方面的原因，目前光纤c a t v 的传输链路大都采用标准单模 光纤( g 6 5 2 ) 作为主干线。g 6 5 2 光纤有1 3 1 0 舢和1 5 5 0n m 两个低损耗波长工作窗 口可供选择。 上世纪九十年代，随着1 5 5 0 n m 模拟外调制光发射机技术和1 5 5 0 n m 光纤放大技 术的成熟，1 3 1 0n m 和1 5 5 0 n m 窗口由于损耗、色散性质不同，因此应用场合也有 所不同。2 1 脚 首先，i5 5 0n m 窗口在固有损耗和弯曲损耗方面具有优势。1 3 1 0 h m 光纤传输 系统光纤损耗较大，1 3 1 0n m 波长的光纤衰减值约为0 3 5d b k m ，而1 5 5 0 r m 光纤 传输系统为0 2 0 , - 0 2 5d b k m ，显然损耗越小，传输距离可以越长，因此长距离 系统一般采用1 5 5 0 r i m 波长。但1 5 5 0 n m 窗口的大色散系数，使得该波长的系统不能 采用直接调制技术，因为直接调制产生信号啁啾会导致传输光光谱的展宽，在高 色散的作用下，使得系统的c s o 指标严重劣化。因此1 5 5 0 r i m 系统采用外调制光发 射机，则不存在c h i r p 效应，光纤系统二次失真和三次失真小。 而1 3 1 0 哪波长上光纤的损耗较大，因此不适宜长距离的系统传输。但由于 该波长的光纤色散较小，因此光发射端可以采用相对简单的直接强度调制方式。 最后，在1 5 5 0 n m 波长上，可用光纤放大器掺铒光纤放大器来进行光中继， 扩展系统的覆盖范围，特别是在通信一广播电视共网波分复用( w d m ) 传输系统中， 1 5 5 0n i l l 光纤c a t v 具有很大的优势。在满频道情况下多次中继可传输1 2 0 公里，组 合三阶差拍失真( c r b ) 、组合二阶互调失真( c s o ) 指标的降低可忽略不计，载 噪比( c n r ) 下降约2 5 d b “1 ；而在1 3 1 0 n m 波长上，单级传输距离为3 0 k m 以内，若 采用光电光中继，需把光信号转换为电信号后再将电信号转换为光信号传输，这 种中继方式，每进行一次，c n r 指标下降3 d b ，c t b 下降4 5 d b ，c s o 下降4 5 d b ，因 此1 3 1 0 n m 系统的传输距离被限制，一般在5 0 6 0 公里以内。现在，国家的骨干有线 电视传输网采用1 5 5 0 h m 系统，各大城市的光纤二次改造也全采用1 5 5 0 h m 系统。 1 2 2 直接调制方式 就用于信号传输的光纤本身而言，无论是在带宽、损耗以及信号保真能力等 方面，其性能都是十分理想的，但要在c a t v 信号传输系统中充分发挥出光纤的 这些出色性能，保证传输信号的质量，系统中提供光载波或将电信号直接变换成 光信号的发光射机就成为极其关键的器件。 在光发射机中，对光源的调制方式分为两种：直接调制和外调制。前者又称 为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来 改变激光器输出光波的强弱。 直接调制方式的特点是输出功率正比于调制电流，具有结构简单、损耗小、 成本低的特点，但驱动电流的变化将引起激光器的光频( 波长) 发生频偏，这种 变化被称作调制啁啾( c h i r p ) 或频率扫动。这种效应是由注入载流子密度与有 源区材料折射率间的耦合引起的，可把它看成是一种寄生调频现象，实际上也是 一种光源无法克服的频率抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，光源 的光谱特性变坏，使光纤链路的色散发挥作用，造成数字传输系统中的脉冲展宽， 码间干扰的加剧，导致误码率( b e r ) 的上升，而对c a t v 系统的影响就是造成模 拟传输系统的二阶组合失真( c s o ) 指标的劣化，对三阶差拍( c t b ) 的影响则很 ，j 、。 4 1 2 3 外调制方式 为克服直接调制的啁啾效应，在长距离系统或色散影响较大的情况下，可采 用外调制方式。外调制又称作间接调制，即不直接调制光源，而是在光源的输出 通路上外加调制器对光波功率进行调制，如图1 3 所示m 。 r f 图1 3 外调制激光器的结构 外调制发射系统中主要包含窄线宽激光器、铌酸锂外调制器、受激布里渊散 射s b s 抑制线路、组合二阶差拍c s o 外调制器偏置控制回路以及组合三阶差拍 c t b 预失真线路等。 发射机光源一般采用连续发送波长和功率的高稳定的激光器，在发光的过程 中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，谱线宽度维持在最小。 考虑到光源的线宽是影响色散的关键因素，线宽窄可减小色散的影响，而且模拟 c a t v 系统需要特别高的信号质量，因而具有几舭z 线宽的分布反馈激光器( d f b ) 是光源唯一实用的选择。 光纤c a t v 系统中的外调制器主要采用l i n b 0 3 波导的m a c h z e h n d e r 平衡桥 干涉型外调制器，它的调制特性是升余弦函数，其奇对称特性使其成为理想的外 调制器，它存在一个最佳偏置点，理论上在该点处可本征消除c s o ，实际中只要 偏置外加电压合适且稳定在最佳工作点上，一般可实现c s o 1 0 0 k m ) 模拟光纤c a t v 系统主要是采用a m - v s b 方式的 1 5 5 0 r i m 波长外调制系统，系统中采用e d f a 级联方式，来实现长距离系统的功 率预算。如果进行合理的功率预算设计，就可以设计出满足载噪比( c n r ) 性能要 求的系统。但是在1 5 5 0 r i m 波长系统中，对激光器输出功率的要求，并非一味地 越大就越好，还要综合考虑光纤的大色散系数、大入纤光功率、非线性效应及较 长的传输距离的作用和限制。特别是在w d m 系统中，多信道密集在同一根光纤 中，功率密度大，非线性问题会更突出，使得光纤非线性导致的c s o 严重恶化。 理论和实验证明，在1 5 5 0 h m 外调制c 舢超长距离传输系统中，系统性能 主要受到组合二阶失真( c s o ) 指标的限制【阐。其中最重要的限制因素就是光纤的 色散限制。由于普通g 6 5 2 单模光纤存在很大的色散，色散系数达到1 7 p s ，n m j k m 。 如果系统传输距离达到l o o k m 时，色散因素的作用会造成系统的c s o 指标很快 劣化；当系统传输距离达到1 3 0 1 5 0 k m 时，肉眼可以明显观察到c s o 指标劣 化形成的电视屏幕上的网纹干扰，远远达不到国标所规定的技术指标要求。 对于1 5 5 0 r i m 外调制系统，激光器本身的谱宽以及为抑制受激布里渊散射 ( s b s ) 引起的谱宽展宽( c d i ，c h i r pd i s p e r s i o ni n t e r a c t i o n s ) 和光纤非线性效应引起 的自相位调制( s p m ，s d f p h a s e m o d u l a t i o n ) ，它们与色散的共同作用是导致c s o 劣化的最主要的因素【6 】。 虽然，已存在不少色散补偿方案，本文也在第一章做出大致介绍。但是，随 着泵浦光源的半导体l d 价格的下降，e d f a 与r a m a n 放大的价格差距不断减小， 如果能采用r a m a n 放大，相对前面介绍的其他几种方法，从成本及应用的灵活 性而言，它都有一定的优势。接下来，本文将先要研究利用f r a 的分布放大特 性来改善1 5 5 0 n mc a t v 传输系统的c d i 和s p m 效应，提高c s o 指标，从而实 现长距离传输。 3 2 光纤色散对系统c s o 的影响 3 2 1 光纤色散 光纤的色散是指光信号中不同频率成分或不同模式，在光纤这一色散介质中 传输速度不同( 即群速度不同) ，使得光信号中的不同频率成分或不同模式到达 光纤终端有先有后，因此在光纤的输出端形成不同延迟的包络分量的叠加，表现 为光波的包络失真，其中以二阶失真为主。 色散大小可以由色散系数d 衡量，单位是p s k m n m 。d 的物理意义为波长 宽度为l n m 的已调光波通过l k m 单模光纤所产生的时延差。图3 1 给出了几种 光纤的色散特性，分别是普通标准光纤、色散位移光纤( d c f ) 、非零色散位移光 纤和色散平坦光纤。从图中可以看到，g 6 5 2 光纤的色散系数在1 3 1 0n r f l 处接近 于0 ，但在1 5 5 0 姗处的d 值相当之大，约为1 7 。因此，为了限制色散的影响， 必须减小激光器的谱宽。 2 0 e1 0 三 王0 、 竹 d 一1 0 o - 2 0 标准光纤， 乞式多 l 琚睇 1 1 0 01 2 1 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 0 r i m 图3 1 光纤的色散 但即便是d f b 激光器，其输出光载波仍然具有一定的谱宽，在大色散系数的 作用下，将使光载波的不同频谱成分发生不同的相位变化。已调波相位变化对应 着光谱展宽，在色散介质中表现为光波包络失真。也就是说，色散可使踟p m 信号变成a m 信号，这是一种相位一强度转换过程，如图3 2 所示。 图3 2 相位一强度转换 色散还会与激光器的啁啾、光纤的s p m 效应等相互作用，使传输信号的相位 噪声转换为幅度噪声，影响传输信号的质量。另外为了抑制受激布里渊散射而采 用激光器高频扰动法也导致了光谱的展宽，产生了寄生的相位调制。 目前，对于1 5 5 0 n m 大功率长距离光纤传输系统而言，尤其g 6 5 2 常规单模 光纤，色散已经成为提高光纤c a t v 系统传输性能的重大障碍。 在数字光纤系统中，色散会使传输的脉冲展宽，造成误码，限制了传输速率 的提高，可以用传输带宽来表征。对于模拟光纤系统而言，则为非线性失真、畸 变产生了基波的谐波分量，在c a t v 系统r f 信号的通道测量中反映为c s o 、c t b 指标的劣化。我们来看一下色散对于c s 0 的影响。 3 2 2 光纤色散对系统c s o 的影响 由文献【3 】 7 】【9 】司知，色散导致的二阶失真成分与载波的强度比为： 2 = i 1 埘应q 厄丽 ( 3 2 1 ) 这里z 为光纤轴向坐标，m 为调制度，织为第i 个频道中的二阶互调产物角频率， ，为调频灵敏度( 单位强度调制引起的光频偏移) ，矽为光波相位对角频率的二 1 z 阶导数，且存在矽= 一- 冬d ，n 是色散系数。 二矿c 定义1 5 5 0 外调制光发送机的d f b 激光器的谱宽引起的光纤色散的c s o 劣化 值为c s o c 肼，将( 3 2 - 1 ) 转化成分贝值就可以得到： c s o c a t = z o l g 子矾打瓦再而阿面万 + 1 0 1 9 ( z j + ，+ 扎) ( 3 2 2 ) 其中，z = o j f 2 是c s 0 产生处的副载波频率，盯，是光信号的谱宽。n 州、n 2 i 为落入频道z 的二阶互调及二次谐波产物数目，n h j 、n 2 i 与传输总频道数目的关 系如图3 3 所示。所以总的传输频道越多，c s 0 互调产物数产生的也越多，色散 造成的影响就越利害。 式( 3 2 2 ) 中的1 0 1 9 ( 2 n 。+ n ：，) 项是光发射机本身产生的c s o ，而 2 。l g 予斫打石i 了了i 万丐砸而 项中根号下的第一项是光纤色散作用于光 谱宽度后引起的信号畸变，根号下的第二项是色散直接作用导致的c s o 指标的劣 化。从中可以看到c s o c d i 与光纤长度、信号谱宽、射频频率和波长等相关。如 果信号的频率z 越高( 即频道越高) ，色散对指标的劣化就越大因此，在1 5 5 0 n n l 系统中，色散和谱宽对长距离传输的高频信道的影响更趋显著。 厂 ， j 厂j 一。 厂 ， 一 厂j 图3 3p a l d 5 9 制式的互调产物与频道总数的关系 当信号谱宽展宽较大时，根号下的第二部分远小于根号下的第一部分，可忽 略不计。此时， c s o c m = 2 0 k 【2 万z 眈巳】+ 1 0 l g ( 2 + + 2 。) ( 3 2 3 ) 其中，d 杞是链路光纤的总色散。如果链路光纤的总色散很小或者为零( d 木z = o ) ， 那么色散对c s o c 科指标的劣化就很小或者可以忽略不计，理论上可以完全消除 了色散对c s o c 埘指标的影响。这就是色散补偿光纤( d c f ) 的原理。 本章最后一节就将从信号谱宽角度出发，尝试研究应用拉曼放大器来避免为 抑制s b s 而引入的谱宽展宽对c s o c d i 的改善程度。 3 3 光纤的非线性效应 线性和非线性指的是光在其中传输的媒质的性质，而非光本身的性质。当介 质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对原子核发生微小位移 或振动，使介质产生极化，也就是说光场的存在使媒质的特性发生了变化。 在常规的单波长光纤通信系统中，发送的光功率一般不会使光纤产生非线 性，然而随着中继距离的延长，光放大器的应用( 特别是作为功放的e d f a ) ，还 有是波分复用系统信道数目的增加，使得进入到光纤中的总功率达到几十毫瓦， 这样总的光功率就使得光纤的折射率改变并产生非线性效应，成为限制系统性能 的因素。 总体来说，光纤非线性效应主要有两种：克尔( k e r r ) 效应和受激散射效应。 在较高的光功率下，由于光强度变化，光纤的折射率会受到调制，这种现象就称 之为克尔效应，具体反映为自相位调制效应( s p m ) 、交叉相位调制效应( x p m ) 、 四波混频( f w m ) 等。而受激散射效应是指，在强度调制中，进入光纤的高功率 光信号与分子振动发生相互作用而产生的非线性效应，这种效应能散射光，并向 光波的长波长方向漂移。主要有受激布里渊( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 两种。 对于l5 5 0n m 的单波长光纤c a t v 系统，s r s 的限制作用不大，能够产生系统性 能损伤的闽值光功率达到5 0 0m w ，远远不及其他非线性效应的限制，所以一般 不予考虑。本章要研究的是拉曼放大器的应用对s p m 和s b s 的改善。对于后者， 主要是结合前一节的内容进行展开。 3 3 1 受激布里渊散射 对于s b s 的原理介绍及其抑制方法，请参见本论文的第六章。 3 3 2 自相位调制 对1 5 5 0 h m 波长光纤c a t v 单信道系统而言，克尔效应中非线性损伤对光功率 的限制较突出的是白相位调制( s p m ) 现象。 日 q 西 f o o ，v o 图3 4自相位调制的产生原理 光纤的折射率是光信号的强度的函数，折射率会随着光强的变化而改变。当 一经调制的光信号在光纤中传播时，由于信号的间歇强弱，直接造成光纤中某一 定点之折射率n 随时间变化的情形，一般光纤的折射率为1 4 6 。而光纤的折射率 3 0 变化会引起传输光波相位产生动态频移，即相位调制，如图3 4 所示。这种由于 信号的强度调制转化为相位调制的现象就称为光波的自相位调制。 在g 6 5 2 光纤的色散作用下，s p m 会通过相位一强度( p m a m ) 转换过程， 造成很大的二阶非线性失真，使c s o 指标劣化。 由于1 5 5 0 n m 系统中色散较大，入纤功率较大时容易使c s o 超过允许指标， 尤其是在高频信道和长距离传输时c s o 会变得很坏。所以，s p m 在1 5 5 0 h m 波长 大功率超长距离光纤传输网络中显得尤为重要。 3 3 3 自相位调制对系统o s o 的影响 目前大多文献【4 】【7 1 1 】普遍得到，在考虑光纤损耗、色散以及非线性且不考 虑调制引起的初始啁啾的情况下，s p m 导致的二次信号分量为： 2 h d 。= 研咖厶2 丝警盟 ( 3 3 训 其中， ，= 厅：4 矿为光纤非线性系数，4 为光纤有效面积n 2 为折射率的非线 性系数，b 为自由空间波数( = 2 石旯) ，压为输入到光纤的平均光波强度 其余参数和3 2 2 节中的意义相同。则自相位调制造成的c s o 劣化值为 瑙l g 3 m c o 群堕等q 删g ( 2 2 j ) ( 3 s 嘲 从( 3 3 - 2 ) 中，可见c s o s p m 。 1 ) 与传输频率z 有关，z 频率越高，c s o s p m 越坏； 2 ) 与传输距离l 也有关，当传输距离l 足够大时，缸 l ，五一1 + p “) 基 本上与l 成线性关系； 3 ) 与落入该频段的二阶互调产物数n i + j 、n 2 i 成正比。n 川、n 2 i j 逮 ，c s o s e m 劣化越严重，非线性造成的影响就越利害； 3 ) 与名如即光纤中光功率密度成正比，显然光功率密度越大就越容易产 生非线性效应： 4 ) 与色散常数d 有关，色散值越大，非线性效应也越明显。 为了减弱s p m 效应，可以从一下几个方面考虑： 1 ) 减少总的频道数或者对频道进行合理的安排，使c s o 产物数降到最低； 2 ) 减小光纤中的光功率密度，或者降低入纤光功率，拉曼放大器的分布放 大特性恰恰能很好地做到这点； 3 ) 使用色散位移光纤d s f ，使得其零色散位置在1 5 5 0 n m 附近，降低色散常 数d ，可以同时减弱色散和自相位效应。 除了可采用色散位移光纤得以改善外，第一章中已针对以上考虑介绍了几种 补偿方式。 3 4 拉曼放大器对c a t v 系统的c s o s p m 的改善 3 4 1 理论推导 如果同时考虑光纤中的r a m a n 放大、光纤损耗、色散及非线性。拉曼泵浦光 场不仅对信号光场带来振幅增益，而且由于互相位调制( x p m ) 效应，会引入相 位啁啾，但一般而言由于作为放大作用的泵浦光功率基本保持恒定，因此r a m a n 泵浦导致的相位啁啾可以忽略不计，而只考虑其增益影响。因此由 7 儿8 可以得 到存在r a m a n 放大时，信号光在光纤中传输的薛定谔方程为： 鲁+ 砖+ 2 喏- 扣= 州2 彳+ 互1 掣彳( 3 4 - 1 ， 其中，为信号光的损耗，为光波相位对角频率的一阶导数，即1 矽为群速度， g ( z ) 为信号光的r a m a n 分布放大因子，在第二章已有推导，可参见。其余参数均 与3 2 2 节、3 3 3 节中说明的一样。 除了光纤损耗，还增加了r a m a n 增益，所以光波电场的复包络a 可设为： a ( z ，f ) = 4 0 x ( z ，f ) e x p ( 一口：+ g 0 ) 弦州南” ( 3 4 2 ) 上式中a 0 为输入到光纤的平均光波强度，x ( z ，t ) 为光波强度，y ( z 。t ) 为光波相 位。将( 3 4 2 ) 代入( 3 4 一1 ) ，可以转化为下列相位和强度方程： 妻+ 夕著= 程翻 ( 3 4 3 ) 善+ 声雾= 一参( 一( 雾 2 协筝一一( 善) 2 + ，舻州嵋外g c z ( 3 4 - 4 ， 从( 3 4 - 3 ) 和( 3 4 - 4 ) 可见，光波的强度与相位是相互影响的。对上式中的t 进行“= f 一方z 变量置换，信号光强度和相位相应改变为x ( z ，u ) 和y ( z ，u ) 。变量 置换后的强度及相位方程为： 笔= 柽鲁+ x 等) ( 3 4 5 ) 老= 一砉( 一( 妄 2 亿窘一缸2 瞎 2 + 埔z 州吨z 删z c 。a 删 接下来，利用微扰法求解( 3 4 - 5 ) 、( 3 4 - 6 ) 两微分方程。设 j 鼍叩击而o ) + b 宁，“! ( 3 4 - 7 ) l y ) = y o ( u ) + y p d ，“) 其中x o ( u ) 、y o ( u ) 为不考虑色散、非线性时的零阶解，即信号包络无畸变传输时 的解；而xp ( u ) 、yp ( u ) 则为光场受色散、非线性影响的微扰项。 对于c a t v 系统，设初始相位为常量，即稳态解为： j 而= x o ( u ) = i + r e ( u ) = i + m c o s ( 2 # f , u )( 3 4 - 8 ) 1 2 i 【y o2 磊= c o n s t a n t 函数m ( u ) 表示了：没有非线性和色散作用时，调制信号包络m ( u ) 在光纤中无畸 变地以群速度l 夕传播。n 为载波频道总数，m 为信道调制系数，工为各信道载 波频率。 根据本章附录给出的迭代微扰法，可求出微扰项x ，为： 矿丝8 隧 x o ，一擎+ 缝芋盟 2 + 等移饥哟归刈3 4 - 9 ) 其中，由于矽，n ：为较小量，因此为简便起见，推导过程中忽略了声，n ：的 两次以上各项。( 3 4 - 9 ) 式中，方括弧项表示了由色散作用导致的信号畸变分量， 而第二项为自相位调制导致的啁啾在色散的作用下引起的信号畸变。由( 3 4 - 9 ) 式可见，色散引起的畸变分量与r a m a n 作用无关，仅与二阶色散系数及传输距离 的平方有关。而s p m 导致的信号畸变则与r a m a n 作用有关。从( 3 4 - 9 ) 式还可见， 在忽略了声，以：的二次以上分量之后的光强微扰项仅剩x o 的二次失真项，因此可 知由色散及s p m 导致的组合三阶差拍失真( c t b ) 皆来源于矽，栉：的三次以三次 上分量，由此可推之s p m 导致的c t b 的劣化，远小于对c s o 的影响。 存在拉曼放大时的s p m 导致的二次信号分量为： 2 月纠删= 皂竽以：础2 + 而) n 厂( 。蟛 ( 3 4 - l o ) n日矿0 式中 厂( 善) 西= e x “口叩+ g 研) ) d 印喏，将稳态值代入式( 3 4 - 1 0 ) ，可以导 出采用r a m a n 分布放大的a m - v s b 调制c a t v 系统中由s p m 引起的c s o 表达式为： r z f 1 c s o s p ( m ，：) = 2 0 1 9 l 声m f 2 ，。2 f f o x p ( - a t + g 钾) ) d 口d fl + 1 0 1 9 ( 2 n “，+ n 2 。) ( 3 4 - 1 1 ) 式( 3 4 - 1 1 ) 表示了s p m 对c s o 的贡献，即非线性s p m 引起的相位啁啾在色散的作 用下导致c s o 恶化。 当不计r a m a n 放大时式( 3 4 - 1 1 ) 则变为： c s 。一c 刊锄t s 伽。2 w 芈 + 1 0 1 9 ( 2 n i + + n 2 1 ) ( 3 4 - 1 2 ) 式( 3 4 一1 2 ) 和文献 4 7 的结论相同，表示了无r a m a n 分布放大时，沿光纤传输 方向的c s o s p m 表达。 3 4 2 数值仿镇与讨论 式( 3 4 一1 1 ) 中的双重积分难以得出解析表达，因此需要数值计算。以下的 讨论中设光纤为常规单模光纤g 6 2 5 ，计算中使用的数据由表3 1 给出。 p a r a m e t e r v a l u eu n i tp a r a m e t e rv a l u eu n i t 嘞 3 2 x 1 0 0 0c m q m w n l 。i 1 2 如 8 0m 2 z 5 9 9m h z d1 7 p s n m ：, a n 五1 5 5 0m a p 2 a 1 2 0 o 2d b k i n 名 lm w 表3 1 计算中所用参数之值 图3 5 给出了分别采用e d f a 功放和前、后向泵浦r a m a n 放大时，由( 3 4 1 1 ) 式计算得出的c s o 与光纤链路长度之间的关系曲线。其中发射机输出光功率为 o d b m ，光纤损耗为0 2 d b k m ，且满足放大增益等于链路损耗。系统链路长度越 长，满足功率损耗预算要求的光放大增益越高。如光纤长度为8 0 k m 时，要求光 放大增益为1 6 d b 。若采用e d f a ，则光纤的入纤光功率为1 6 d b m ，而采用r a m a n 放大，则光入纤功率依然为o d b m 。图中结果表明采用r a m a n 放大将会大大改善 s p m 导致的c s o 指标。当光纤长度超过6 0 k m 时，采用前向r a l n a l l 可以使c s o 改 善l o d b 以上；后向r a m a n 则可使c s o 改善2 0 d b 左右。这可以从归因为后向r a m a n 时沿光纤链路的功率分布最小，如图2 5 所示。 才 3 o 8 i 譬 l ： _ r i a 舯( k m ) 图3 5e d f a 和前、后向r a m a n 放大时的c s o 与光纤链路长度的关系 图3 6 给出了在传输距离为l o o k m 的5 9 频道的p a l 系统中，分别采用e d f a 和前、后向及双向泵浦r a m a n 放大时，由s p m 导致的各个频道的c s o 分布。可见， 相比采用e d f a 的系统，采用双向泵浦r a m a n 放大的系统中大多数频道的c s o s p m 都会得到约l o d b 的改善，采用前向r a m a n 的改善程度为1 4 d b ，而采用后向r a m a n 的改善程度高达2 5 d b 以上。图中的右边纵坐标还给出了各个频道的互调二阶产 物数。 加锄瑚瑚拍脚珊瑚枷伽伽协 3 4 3 结论 盂 已 o 8 8 宝 堇 = a w 删n u m b e r 图3 6 各信道与s p m 导致的c s o 曲线 本节根据r a m a n 放大对信号光强的增益作用，导出了分布r a m a n 放大条件下 的薛定谔方程，并采用微扰法解出了存在r a m , a n 分布放大时，a m - v s b 外调制c a t v 系统中，s p m 导致的c s o 的解析表达。数值计算结果表明，由于分布r a m a n 放大 效应，减小了光纤中的信号光强度，相对于采用相同放大倍数的e d f a ，采用前 向和双向r a m a n 分布放大可使非线性s p m 导致的c s o 减小l o d b 以上，而采用后 向r a m a n 分布放大可改善2 0 d b 左右。因此在长距离a m v s b 调制的c a t v 系统中， 相比于采用e d f a ，采用光纤r a m a n 放大可以较好地改善由s p m 导致的c s o 恶化。 值得注意的是，虽然采用后向r a m a n 放大的改善程度最大，但后面的研究表 明