黃鋒鋒,蔣鵬宇,蔣高健

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是5G移動(dòng)通信的成熟和商用，同時(shí)人們對(duì)包括聲音、數(shù)據(jù)、圖像和影視等多媒體通信的需求越來(lái)越高，并且希望能在任何時(shí)候任何地點(diǎn)向個(gè)人提供這些通信業(yè)務(wù)，因此需要更高速率、更大容量的通信。光纖通信系統(tǒng)以其低傳輸損耗和巨大的帶寬成為解決寬帶傳輸?shù)挠辛κ侄巍?/p>

由于現(xiàn)在低頻資源已經(jīng)幾乎都被占用了，隨著使用更高的微波頻段，遇到的困難也越來(lái)越大，最主要的問(wèn)題是大氣中傳播時(shí)頻率越高的微波功率衰減越快，這就導(dǎo)致了信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越短，需要非常多的中繼站和基站，由于頻率越高器件成本也越高，可見(jiàn)用傳統(tǒng)的無(wú)線通信方法實(shí)現(xiàn)商用很不現(xiàn)實(shí)。于是，針對(duì)高頻通信，利用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸成為主要的解決方案。

1 模擬信號(hào)光纖通信系統(tǒng)

模擬信號(hào)光纖通信技術(shù)就是指利用光纖代替大氣作為一種傳輸媒質(zhì)來(lái)傳送寬帶射頻信號(hào)，如基帶、中頻或射頻信號(hào)的一種傳輸技術(shù)，在模擬光纖通信系統(tǒng)中無(wú)線信號(hào)通過(guò)使用光器件、光技術(shù)調(diào)制然后進(jìn)行傳送分發(fā)[1]。輸入模擬光纖系統(tǒng)的電信號(hào)可以是基帶數(shù)字信號(hào)、中頻信號(hào)和射頻信號(hào)。這些電信號(hào)用于調(diào)制光信號(hào)，然后光信號(hào)再通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端基站。在遠(yuǎn)端基站，通過(guò)光電探測(cè)器得到電信號(hào)從而提取傳送的信息。

模擬光纖通信是以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的一種通信方式，由于具有頻帶寬、通信容量大、損耗低及傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。從光學(xué)的角度來(lái)看，限制模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的因素主要包括損耗、色散等。

模擬光纖傳輸?shù)墓饫w損耗遵循比爾定律，即輸入功率、輸出功率及傳輸損耗之間的關(guān)系式，即比爾定律

式中，L是傳播距離，γ是用dB/km表示的功率衰減。

常用的光纖傳輸窗口是1310nm和1550nm波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的傳輸損耗為0.3dB/km和0.25dB/km，單就傳輸損耗而言，常規(guī)的應(yīng)用現(xiàn)在都不是主要問(wèn)題，比如傳輸30 km，在1310nm波長(zhǎng)下?lián)p耗為9dB，不管是通過(guò)光放大還是電信號(hào)的放大都已經(jīng)非常成熟。

2 色散

在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)(脈沖)的不同頻率成分或者不同的模式分量以不同的速度傳播，達(dá)到一定的距離后必然產(chǎn)生信號(hào)失真(脈沖展寬)，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散或彌散。光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)具有一定的頻譜寬度，也就是說(shuō)光信號(hào)具有許多不同的頻率成分。

光纖色散的產(chǎn)生基于兩個(gè)方面的因素，一個(gè)是進(jìn)入光纖的光信號(hào)不是單一頻率的光，因?yàn)楣庠窗l(fā)出的光不是單色光或者是光譜具有一定的寬度；另一個(gè)是光纖對(duì)光信號(hào)的色散作用。

色散導(dǎo)致光脈沖在時(shí)域上的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起信號(hào)的碼間干擾，影響系統(tǒng)性能。由于信號(hào)的各頻率成分或各模式成分的傳輸速度不同，當(dāng)它們所攜帶的光脈沖在光纖中傳輸一段距離后，將互相散開(kāi)，于是光脈沖展寬。嚴(yán)重時(shí)，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾，增加誤碼率，使通信質(zhì)量下降。為保證通信質(zhì)量，必須加大碼間距離，這就降低了通信容量。另一方面，傳輸距離越長(zhǎng)，脈沖展寬越嚴(yán)重，因而色散也限制了光纖的傳輸距離。

由于光纖中所傳信號(hào)的不同頻率成分，在傳輸過(guò)程中，因群速度不同互相散開(kāi)，引起傳輸信號(hào)波形失真。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機(jī)理上說(shuō)，光纖色散分為材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由于信號(hào)不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號(hào)不是單一模式所引起。

假設(shè)光纖系統(tǒng)中的光源所發(fā)出的光都是單一波長(zhǎng)的(換種說(shuō)法，即單一頻率的)，實(shí)際的光源在一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)光。這個(gè)范圍稱為光源的線寬，或者譜寬。光源的線寬越窄，其相干性就越好。理想的相干光源發(fā)射單波長(zhǎng)的光，其線寬為0，因而是理想的單色的[2]。

3 色散對(duì)模擬信號(hào)光纖傳輸?shù)挠绊?/h2>

理想的光信號(hào)在時(shí)域?yàn)閱晤l點(diǎn)信號(hào)，在頻域帶寬為0。實(shí)際光信號(hào)都有一定的帶寬，假設(shè)一個(gè)窄線寬的光信號(hào)由多個(gè)形狀完全相同但波長(zhǎng)不同的理想脈沖組成。光信號(hào)在光纖中是通過(guò)全反射傳輸?shù)模鶕?jù)折射率為n=c/v，其中c是光在真空中傳輸速度，c= 3×108m/s，v是光在光纖中的傳輸速度。折射率n在不同的波長(zhǎng)不同，但是差異很小，例如在常用的1310nm窗口的折射率是1.46750,1550nm窗口的折射率是1.46800。窄線寬光源中組成的各個(gè)單脈沖波長(zhǎng)差異很小，相互之間的折射率差異也會(huì)很小。在光纖中，這些脈沖以不同的速度傳輸，到達(dá)光纖末端的時(shí)間會(huì)有差別。這個(gè)差別的大小和傳輸距離成正比，在輸出端再將其疊加起來(lái)，形成輸出脈沖，相對(duì)于輸入信號(hào)，輸出信號(hào)被展寬了。這解釋了色散如何導(dǎo)致脈沖畸變，脈沖傳輸?shù)脑竭h(yuǎn)，其展寬的越嚴(yán)重。

圖1 窄線寬光源在光纖中的傳播

光信號(hào)的色散會(huì)帶來(lái)調(diào)制在光信號(hào)上模擬信號(hào)產(chǎn)生失真，和上文一樣假設(shè)窄線寬光源由三個(gè)不同波長(zhǎng)的理想光脈沖組成，模擬信號(hào)調(diào)制到窄線寬光源上，實(shí)際上就是調(diào)制到三個(gè)不同波長(zhǎng)的理想光脈沖上。

圖2 色散引起的模擬信號(hào)傳輸?shù)氖д?/p>

在輸入端，調(diào)制在三個(gè)光波長(zhǎng)上的模擬信號(hào)在相位上變化相同，疊加在一起產(chǎn)生一個(gè)幅度變化更大的信號(hào)。在光纖介質(zhì)中傳播一段距離后，由于色散的原因，這些調(diào)制在不同光波長(zhǎng)上的模擬信號(hào)在相位上不再相同。當(dāng)疊加在一起時(shí)，所形成的信號(hào)的幅度變化變小、信號(hào)頻譜展寬，色散并沒(méi)有改變平均功率或者調(diào)制功率，但減小了信號(hào)的幅度變化，傳輸?shù)男畔⒕桶谛盘?hào)的變化之中，所以這種幅度衰減會(huì)影響信息的傳輸，我們可以將這種結(jié)果看成信號(hào)峰值的擴(kuò)展(降低幅度)和波谷的填充(抬高其幅度)。

4 色散的解決方法

由材料色散(或波導(dǎo)色散)引起的信號(hào)畸變可通過(guò)使用窄線寬光源來(lái)降低，線寬越窄包含的不要波長(zhǎng)脈沖數(shù)量越小、不同波長(zhǎng)的光脈沖之間的波長(zhǎng)差異也越小，經(jīng)光纖傳輸以后，可以在光接收機(jī)對(duì)光束進(jìn)行濾波來(lái)減小色散畸變。光濾波器只允許帶寬非常窄的光波到達(dá)光檢測(cè)器，但這種技術(shù)有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是生產(chǎn)研制足夠窄的濾波器技術(shù)難度非常大；二是窄帶濾波器會(huì)濾掉帶外的波長(zhǎng)的光，光濾波器的帶寬越窄，濾掉的光信號(hào)越多，因此大大降低了光功率，在模擬信號(hào)光纖通信中，模擬信號(hào)是直接調(diào)制在光信號(hào)上的，模擬信號(hào)的功率和光功率成線性關(guān)系，光功率降低會(huì)導(dǎo)致傳輸和轉(zhuǎn)換效率成線性降低。

在模擬信號(hào)光纖傳輸通信系統(tǒng)中，強(qiáng)度調(diào)制方法產(chǎn)生的是雙邊帶信號(hào)，在光纖色散的影響下，接收端光檢測(cè)器輸出的模擬信號(hào)強(qiáng)度隨光纖長(zhǎng)度周期性變化，產(chǎn)生”周期性衰落效應(yīng)”。因此，光載RF信號(hào)在光纖中傳輸?shù)木嚯x受到限制，而且模擬信號(hào)的工作頻率越高，光纖色散對(duì)鏈路傳輸距離的限制就越嚴(yán)重[3]。

由光纖傳輸引起的色散可進(jìn)行色散補(bǔ)償，常用的方法是采用負(fù)色散的光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償，讓不同頻率光信號(hào)和在普通光纖中的表現(xiàn)相反。除此之外還有采用光纖光柵、預(yù)啁啾等技術(shù)做色散補(bǔ)償。