基于波分復用的長距離射頻光傳輸串擾研究

梁會娟江鳳婷張 靜戴澤璟崇毓華

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所收發技術研究部，安徽 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實驗室，安徽 合肥 230088）

0 引言

射頻光傳輸是指將射頻信號調制到光載波上，利用光纖低損耗、大帶寬的優點進行遠距離傳輸。目前，應用于國防軍事領域的射頻光傳輸技術有天線拉遠技術、本征傳輸技術等［1-2］。在射頻光傳輸過程中，為了保證傳輸信號的溫度場一致，或部分要過滑環的系統（有轉臺的系統），將多路光波復用到1根光纖中傳輸時通常會用到波分復用技術。

光波分復用是指將多種不同波長的光載波信號在發送端經光復用器耦合后，在同一根光纖中進行傳輸的技術。由于不同路的光在同一根光纖中傳輸時，光與光纖之間會出現相互作用（光對光纖折射率的微小調制作用），受到調制的光纖又會對光纖中傳輸的所有光信號進行調制。目前，國內外均有關于長距離射頻光傳輸串擾的形成機制與理論分析的研究［3-5］。本研究結合具體的試驗數據，依照原有理論進行仿真計算，試驗結果與理論能較好地符合。該研究對多波長長距離射頻光傳輸的傳輸波長與射頻通道的匹配具有重要意義。

1 試驗方案與裝置

圖1是常用的波分復用射頻光傳輸鏈路。本研究采用3通道的波分復用系統，任意選用ITU波長中的3個波長。為了使鏈路更具代表性，其中既有間隔較近的兩個波長，也有間隔較遠的兩個波長。在該試驗中選用C20、C24、C44激光器，其波長分別為1 561.4 nm、1 558.2 nm、1 542.14 nm。3路光信號經波分復用器復用到1根光纖中進行傳輸。在進入長光纖前增加可調光衰減器，用來控制進入長光纖的光強度。3路光信號在經過同一根長光纖傳輸的光信號后會經過解波分復用器，解波分復用器將不同波長的光分開，3路光信號分別進入到3個光電探測器，并輸出3路射頻信號。

圖1 波分復用試驗鏈路

通過矢量網絡分析儀（矢網）可測出通道間的相互串擾。首先，將矢網調為S21測試模式，矢網的1通道連接鏈路2的射頻輸入，矢網的2通道連接到鏈路2的光電探測器的輸出端，此時將矢網歸一化。然后，矢網的1通道繼續連接鏈路2的射頻輸入，將矢網的2通道連接鏈路1的光電探測器的輸出端。此時，矢網的S21讀數便是鏈路2對鏈路1的串擾。用同樣的方法可測出鏈路3對鏈路1的串擾。3個通道間都存在串擾。經過反復測試，發現串擾主要與激光器的波長間隔、進長光纖的光功率和長光纖長度這3個因素有關。為了使研究更具典型性，本研究對鏈路2對鏈路1的串擾和鏈路3對鏈路1的串擾進行研究。鏈路2使用C24激光器，其與鏈路1（C20的光波長）間隔為3.2 nm，在后面測試數據分析中，“間隔3.2 nm”代表鏈路2對鏈路1的串擾。鏈路3使用C44激光器，其與鏈路1（C20的光波長）間隔為19.2 nm，在后面測試數據分析中，“間隔19.2 nm”代表鏈路2對鏈路1的串擾。通過調節可調光衰減器來控制進長光纖的光功率，為了不超出光纖的布里淵閾值，選取兩種入光功率，即3個通道的總入光功率為4.3 dBm和3個通道的總入光功率為10 dBm分別進行測試。可測出不同光功率下串擾值的變化。長光纖分為5 km的普通單模光纖和11 km的普通單模光纖，通過試驗可測試光纖長度的變化對串擾的影響。不同進光功率以及不同光纖長度情況下，鏈路2對鏈路1的串擾以及鏈路3對鏈路1的串擾見圖2。

對圖2進行分析后發現，在低頻段（約200 MHz以下），鏈路3對鏈路1的串擾值比鏈路2對鏈路1的串擾值略高，即在低頻段中，波長間隔大的通道間的串擾比間隔小的通道間的串擾大。在高頻段（約1 GHz以上），鏈路2對鏈路1的串擾值比鏈路3對鏈路1的串擾值高，這說明在高頻段波長間隔越近，串擾就越大。對圖2（a）和圖2（b），以及圖2（c）和圖2（d）分別進行對比，發現光纖越長，串擾越大；對圖2（a）和圖2（c），以及圖2（b）和圖2（d）分別進行對比，發現入光纖的光功率越大，串擾就越大。這里選用的波分復用器的通道間的光隔離度為45 dB，由此可計算出由光波分復用器引起的射頻串擾在-90 dB以下。圖2中測出的數據基本都在-90 dB以上，這說明在該鏈路中，由波分復用器分光不徹底導致的串擾不是主要因素。

圖2 進光纖功率不同以及光纖長度不同的情況下的串擾測試

2 理論分析

有研究表明，拉曼散射（SRS）即光纖中光學聲子與光子間的作用會以信道間串擾的形式對多信道鏈路造成影響。為描述SRS對多信道鏈路中RF信號串擾的影響，要求解出光纖中描述不同波長光信號傳輸的耦合差分方程。假設一個具有兩信道的系統［2］，通過對光信號傳輸的耦合差分方程進行求解，由SRS所造成的串擾的幅度（XtalkSRS）和RF相位（θSRS），見式（1）、式（2）［2］。

以上式中：I為光信號強度；v為群速度；α為光纖損耗；gR為拉曼增益系數［3］；λ1為未經調制的CW信號；λ2為一個被RF信號調制的信號；ρSRS為偏振重疊系數，當兩路光信號的偏振態相同時，ρSRS=1。當兩路光信號的偏振態正交時，ρSRS=0；P2為光纖輸入端調制信道的平均光功率；Ω為驅動信號的角頻率。假設α1=α2=α，d12為信號的走離系數，可用走離系數來描述光纖的色散（CD）效應，見式（3）。

本研究根據上述公式進行仿真計算。當λ2分別為1 558.2 nm和1 542.14 nm、λ1為1 561.4 nm時，從λ2到λ1由SRS引起的串擾仿真圖見圖3。在計算時采用以下參考值：ρSRS=1、α=0.2 dB/km、Aeff=85 μm2、D=16.5 ps/nm/km，P2選用4.3 dBm，L選用5 km和11 km兩種值。從圖3的仿真結果可以看出，由SRS引起的串擾主要分布在200 MHz以下的頻段，且隨著傳輸射頻頻率的增大，由SRS引起的串擾在迅速減小，且光波長的間隔越遠，相互間的串擾就越大。這與圖2的測試結果（光波長的間隔越遠在低頻段串擾就越大）是符合的。由仿真結果可知，隨著入光功率的增大，由SRS引起的串擾也隨之增大；隨著入射光纖的增長，由SRS引起的串擾也越大。但在高頻段由SRS引起的串擾會隨頻率的增加而迅速降低。

圖3 進光纖功率不同情況下由SRS引起的串擾仿真

如果只考慮SRS引起的串擾，就跟圖2對應的實際測試結果有較大的出入，特別是高頻段的測試數據差距非常大。有研究表明，多路強度調制的光信號在同一根光纖中傳輸時，會存在相互相位調制現象，也即交叉相位調制（XPM）［3］。在一條包含兩信道的強度調制鏈路中，由XPM所引起的串擾計算過程會用到SRS計算中的參數［4］。XPM所導致串擾的幅度和相位的計算公式見式（4）、式（5）［5-6］。

式中：ρXPM為XPM過程的偏振重疊系數。

圖4給出了λ2為1 558.2 nm和1 542.14 nm、λ1為1 561.4 nm時，從λ2到λ1由XPS引起的串擾。在計算中采用如下參考值：ρSRS=1，α=0.2 dB/km，Aeff=85 μm2，D=16.5 ps/nm/km，n2=2.6×10-20 m2/W，P2為4.3 dBm和10 dBm，L為5 km和11 km。

由圖4可知，隨著光纖的增長和入光功率的增大，串擾也隨之增大。與SRS引起的串擾不同的是，由XPM引起的串擾不會隨著頻率的增大而減小，反而會增大。

圖4 進光纖功率不同以及光纖長度不同的情況下由XPM引起的串擾仿真

10 dBm入光總功率11 km光纖鏈路的串擾測試結果和仿真結果見圖5。由圖5可以看出，理論值和測試值基本符合。略微的偏差是因光纖的參數選取跟實際存在一定偏差造成的。兩波長光的偏振重疊系數都取1進行仿真，實際中用的是非保偏光纖，偏振重疊系數應小于1，這也造成計算結果比實際測量值略微偏大。

圖5 10 dBm入光功率+11 km光纖情況下串擾的計算結果與測試結果比較

3 結語

綜上所述，本研究利用光傳輸的耦合差分方程計算出基于波分復用體制的射頻光傳輸過程中通道間的串擾。對串擾形成的兩種機制（SRS、XPM）分別進行仿真計算。仿真結果與實際測試結果有著較好符合，低頻段以SRS引起的串擾為主，高頻段以XPM引起的串擾為主。由SRS引起的串擾，光波長的間隔越大，串擾就越大，由XPM引起的串擾光波長的間隔越小，串擾就越小。因此，在基于波分復用的射頻光傳輸系統中，若傳輸的是1 GHz以下的信號，應盡可能選擇波長間隔近的光波長；若傳輸的是2 GHz以上的信號，應盡可能選擇波長間隔遠的光波長。該試驗與計算仿真結果可指導實際的波分復用體制的光傳輸射頻通道的分配。