毫秒級寬帶微波光鏈路性能分析

楊 慧 周小芬 吳國成 肖永川 楊 陶

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毫秒級寬帶微波光鏈路性能分析

楊 慧1周小芬1吳國成1肖永川1楊 陶2

1.重慶光電技術研究所，重慶 400060 2.中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 401121

針對傳統微波光鏈路長距離傳輸性能指標難以優化的現狀，提出一種基于波分復用技術、EDFA光放大技術、DCM色散補償技術解決超長距離光傳輸的方法。建立了基于該方法的微波傳輸鏈路性能參數的理論模型，并對主要參數進行了仿真計算。通過優化光器件的性能參數，設計的光纖延時線的延時量為2.2?ms，帶寬達600?MHz。通過對光纖插損和色散效應進行補償，得到系統的插入損耗為3?dB，幅度平坦度為±1?dB。

微波光鏈路；波分復用技術；色散補償技術；鏈路增益

引言

隨著微波光子技術的迅猛發展，長距離寬帶微波光鏈路受到越來越多的重視[1]。與傳統的微波傳輸鏈路相比，光傳輸鏈路有著工作帶寬寬、體積小、損耗低、重量輕、抗電磁干擾強等優點。并廣泛應用在無線通信、射電天文[2]、分布式雷達[3]、CATV以及現代空間技術中。

本設計根據使用的需要，運用波分復用技術將光纖的長度由原本的440?km縮減至220?km，并用光放大器和色散補償模塊對光纖的插入損耗和非線性效應進行了分段補償，滿足了微波傳輸光鏈路中對插損和幅度平坦度的要求。

1 光鏈路工作原理

本文設計了一個延時為2.2?ms的超長距離光傳輸鏈路系統，原理框圖如圖1所示。本鏈路運用波分復用技術形成光傳輸鏈路環路，將所需光纖的長度由原來的440?km縮減至220?km，將EDFA和色散補償模塊的數量減少了50%。

圖1 長距離微波光傳輸鏈路原理框圖

1.1 鏈路增益

設激光器輸出的光載波信號它的光場表達式為

（1）

為了得到最佳的線性度，調制器需要工作在正交偏置點，則探測器輸出的光電流可以表示為

在小信號條件下，模擬光鏈路的線性射頻傳輸增益可以表示為

（3）

1.2 噪聲系數計算

1.2.1 光鏈路的噪聲系數

噪聲系數是用來衡量信噪比惡化程度的性能指標，它可以表示為：

（4）

（5）

1.2.2 光放大器對鏈路噪聲系數的惡化

在長距離傳輸鏈路中，摻鉺光纖放大器（EDFA）是常用的用于補償鏈路光損耗的器件。根據圖1所示的鏈路結構，多個EDFA級聯的結構示意圖可以用圖2進行表示：

圖2 EDFA級聯示意圖

光傳輸鏈路對射頻信號噪聲系數的惡化可用如下公式來表示：

式中：Fi、gi分別為第i個EDFA的噪聲因子和增益；li-1為第i個EDFA前級光衰減；為光鏈路的總增益。

1.3 長距離光鏈路中的非線性效應

1.3.1 色散效應

光纖色散指的是不同頻率光信號在光纖中具有不同的傳輸速率，對于雙邊帶調制（DSB）直接探測的射頻光傳輸性能影響很大。色散會引起不同邊帶之間產生不同的相移，從而引起射頻信號功率隨頻率的周期性衰落、增大偶次諧波失真的影響及引起激光器相位噪聲向強度噪聲轉化惡化噪聲性能。

在考慮色散影響的情況下，鏈路的小信號增益表達式為：

（7）

1.3.2 受激布里淵散射效應

當發生受激布里淵散射效應時，正向輸入信號光功率在傳輸過程中呈指數形式衰減，因此受激布里淵散射效應不僅會惡化鏈路的噪聲性能，還極大的限制了鏈路可傳輸的最大光功率即限制了整個鏈路的光功率水平。它的值可以表示為：

（8）

2 設計方法

上一節已經進行了理論計算和分析，找到了鏈路增益、噪聲系數、鏈路非線性與各參數的關系。在本節中，對主要參數的性能進行仿真計算。各個器件的主要參數見下表所示：

表1 用于仿真計算的各個參數

2.1 減小非線性效應對光鏈路性能的惡化

2.1.1 色散補償技術

由公式（7）可以看出，在未進行色散補償時，光纖引起的色散距離積越大，會引起嚴重的功率周期性衰落，并且衰落的周期與鏈路的工作頻率有關。與理論計算得到的結果相符，從下面的仿真結果可以看出鏈路未進行色散補償時的增益曲線。從圖3可知，色散補償對于高頻率信號長距離傳輸的重要性。

圖3 色散引起的功率衰落對比

2.1.2 減小布里淵散射對光鏈路性能的影響

由公式（8）可以看出，進入光纖光功率與光纖的長度呈反比關系。輸入的閾值光功率與傳輸距離的關系見圖4所示。

圖4 輸入光功率與傳輸距離的關系

2.2 影響鏈路增益的因素

根據公式（3）可以看出，影響鏈路增益的因素主要有調制器半波電壓、探測器接收到的光電流。而調制器的半波電壓又隨著調制器的工作頻率而變化。具體的變化關系見圖5所示。

圖5 鏈路增益與器件參數之間的關系曲線

由圖4和圖5的仿真結果可知，傳輸光纖的長度多于50?km時，輸入光功率值不大于2?MW時，光纖的布里淵散射效應最弱。同時探測器探測到的光功率最強時，系統的增益最高。故在不超過探測器飽和功率點的前提下，盡量提高后級光放大器的輸出光功率。

2.3 影響鏈路噪聲系數的因素

由上節的分析可以看出，鏈路的噪聲系數與工作頻率、激光器的RIN噪聲、探測器接收的光功率和EDFA的噪聲系數相關。

圖6 噪聲系數與光電流和EDFA噪聲系數的關系曲線

由圖6的仿真結果和前面的分析可得，當器件定型后，激光器的RIN噪聲，EDFA的噪聲系數已經確定。只能增加探測器接收到的光功率，來改善鏈路的噪聲系數。一般探測器的飽和光功率為10?MW。故設計時將后級的EDFA的輸出光功率設為15?dBm。

由上面的理論計算和仿真結論，可以得出光纖傳輸補償網絡的參數設計，具體見圖7所示：

圖7 光纖傳輸補償網絡參數值

3 測試結果

根據上述的理論計算和仿真分析，綜合生產成本，選擇激光器的發光功率為40?MW，增益穩定輸出4?MW的EDFA。將測試結果與仿真結果進行比較可知，兩者能夠較好的吻合。最終的測試結果見表2所示。

表2 鏈路指標測試結果

4 結論

本文通過對長距離微波光傳輸鏈路進行了詳盡的理論分析，并通過仿真計算得出參數數值的變化對鏈路性能的影響。主要討論了鏈路增益、噪聲系數、非線性效應這些參數的性能。經過與產品的實測數據進行對比，理論和實際測試值的吻合度較好。理論和仿真計算對產品設計和生產具有較強的指導意義。

[1]CapmanyJ，Novak D.Microwave photonics combines two worids[J].Nature Photon，2007，1；319-330.

[2Karim A, Devenport J. High Dynamic Range Microwave Photonic Links for RF Signal Transport and RF-IF Conversion[J]. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(15):2718-2724.

[3] Lu H H, Lin Y C, Su Y H, et al. A radio-on-fiber intelligence transport system based on electroabsorption modulator and semiconductor optical amplifier[J]. Photonics Technology Letters IEEE, 2004, 16(1):251-253.

Performance Analysis of Millisecond Broadband Microwave Optical Links

YangHui1Zhou Xiaofen1Wu Guocheng1Xiao Yongchuan1Yang Tao2

1.Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 40060 2.China Mobile Communications Corporation Cmcc Chongqing Co., Ltd., Chongqing 401121

Aiming at the situation which the long-distance transmission performance index for traditional microwave optical link is difficult to optimize, a method is proposed to solve the long distance optical transmission based on wavelength division multiplexing technology, EDFA optical amplification technology and DCM dispersion compensation technology.A theoretical model of microwave transmission link performance parameters based on this method is also established, and the main parameters are simulated and calculated too.By optimizing the performance parameters of the optical device, a delay time for the designed fiber delay line is 2.2ms and the bandwidth is up to 600MHz.The insertion loss of the system is 3dB and the amplitude flatness is ± 1dB by compensating the fiber insertion loss and dispersion effect.

microwave optical link; wavelength division multiplexing; dispersion compensation; link gain;

TN015

A

1009-6434（2017）04-0061-04