梁會娟江鳳婷張 靜戴澤璟崇毓華

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所收發(fā)技術(shù)研究部，安徽 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088）

0 引言

射頻光傳輸是指將射頻信號調(diào)制到光載波上，利用光纖低損耗、大帶寬的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。目前，應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域的射頻光傳輸技術(shù)有天線拉遠(yuǎn)技術(shù)、本征傳輸技術(shù)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(huán)的系統(tǒng)（有轉(zhuǎn)臺的系統(tǒng)），將多路光波復(fù)用到1根光纖中傳輸時通常會用到波分復(fù)用技術(shù)。

光波分復(fù)用是指將多種不同波長的光載波信號在發(fā)送端經(jīng)光復(fù)用器耦合后，在同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。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(xiàn)相互作用（光對光纖折射率的微小調(diào)制作用），受到調(diào)制的光纖又會對光纖中傳輸?shù)乃泄庑盘栠M(jìn)行調(diào)制。目前，國內(nèi)外均有關(guān)于長距離射頻光傳輸串?dāng)_的形成機(jī)制與理論分析的研究［3-5］。本研究結(jié)合具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依照原有理論進(jìn)行仿真計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)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?shù)膫鬏敳ㄩL與射頻通道的匹配具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案與裝置

圖1是常用的波分復(fù)用射頻光傳輸鏈路。本研究采用3通道的波分復(fù)用系統(tǒng)，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(yuǎn)的兩個波長。在該試驗(yàn)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(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用到1根光纖中進(jìn)行傳輸。在進(jìn)入長光纖前增加可調(diào)光衰減器，用來控制進(jìn)入長光纖的光強(qiáng)度。3路光信號在經(jīng)過同一根長光纖傳輸?shù)墓庑盘柡髸?jīng)過解波分復(fù)用器，解波分復(fù)用器將不同波長的光分開，3路光信號分別進(jìn)入到3個光電探測器，并輸出3路射頻信號。

圖1 波分復(fù)用試驗(yàn)鏈路

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（矢網(wǎng)）可測出通道間的相互串?dāng)_。首先，將矢網(wǎng)調(diào)為S21測試模式，矢網(wǎng)的1通道連接鏈路2的射頻輸入，矢網(wǎng)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(wǎng)歸一化。然后，矢網(wǎng)的1通道繼續(xù)連接鏈路2的射頻輸入，將矢網(wǎng)的2通道連接鏈路1的光電探測器的輸出端。此時，矢網(wǎng)的S21讀數(shù)便是鏈路2對鏈路1的串?dāng)_。用同樣的方法可測出鏈路3對鏈路1的串?dāng)_。3個通道間都存在串?dāng)_。經(jīng)過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)串?dāng)_主要與激光器的波長間隔、進(jìn)長光纖的光功率和長光纖長度這3個因素有關(guān)。為了使研究更具典型性，本研究對鏈路2對鏈路1的串?dāng)_和鏈路3對鏈路1的串?dāng)_進(jìn)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(shù)據(jù)分析中，“間隔3.2 nm”代表鏈路2對鏈路1的串?dāng)_。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(shù)據(jù)分析中，“間隔19.2 nm”代表鏈路2對鏈路1的串?dāng)_。通過調(diào)節(jié)可調(diào)光衰減器來控制進(jìn)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?cè)牍夤β蕿?.3 dBm和3個通道的總?cè)牍夤β蕿?0 dBm分別進(jìn)行測試?？蓽y出不同光功率下串?dāng)_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(yàn)可測試光纖長度的變化對串?dāng)_的影響。不同進(jìn)光功率以及不同光纖長度情況下，鏈路2對鏈路1的串?dāng)_以及鏈路3對鏈路1的串?dāng)_見圖2。

對圖2進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在低頻段（約200 MHz以下），鏈路3對鏈路1的串?dāng)_值比鏈路2對鏈路1的串?dāng)_值略高，即在低頻段中，波長間隔大的通道間的串?dāng)_比間隔小的通道間的串?dāng)_大。在高頻段（約1 GHz以上），鏈路2對鏈路1的串?dāng)_值比鏈路3對鏈路1的串?dāng)_值高，這說明在高頻段波長間隔越近，串?dāng)_就越大。對圖2（a）和圖2（b），以及圖2（c）和圖2（d）分別進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)光纖越長，串?dāng)_越大；對圖2（a）和圖2（c），以及圖2（b）和圖2（d）分別進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)入光纖的光功率越大，串?dāng)_就越大。這里選用的波分復(fù)用器的通道間的光隔離度為45 dB，由此可計(jì)算出由光波分復(fù)用器引起的射頻串?dāng)_在-90 dB以下。圖2中測出的數(shù)據(jù)基本都在-90 dB以上，這說明在該鏈路中，由波分復(fù)用器分光不徹底導(dǎo)致的串?dāng)_不是主要因素。

圖2 進(jìn)光纖功率不同以及光纖長度不同的情況下的串?dāng)_測試

2 理論分析

有研究表明，拉曼散射（SRS）即光纖中光學(xué)聲子與光子間的作用會以信道間串?dāng)_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?dāng)_的影響，要求解出光纖中描述不同波長光信號傳輸?shù)鸟詈喜罘址匠?。假設(shè)一個具有兩信道的系統(tǒng)［2］，通過對光信號傳輸?shù)鸟詈喜罘址匠踢M(jìn)行求解，由SRS所造成的串?dāng)_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(qiáng)度；v為群速度；α為光纖損耗；gR為拉曼增益系數(shù)［3］；λ1為未經(jīng)調(diào)制的CW信號；λ2為一個被RF信號調(diào)制的信號；ρSRS為偏振重疊系數(shù)，當(dāng)兩路光信號的偏振態(tài)相同時，ρSRS=1。當(dāng)兩路光信號的偏振態(tài)正交時，ρSRS=0；P2為光纖輸入端調(diào)制信道的平均光功率；Ω為驅(qū)動信號的角頻率。假設(shè)α1=α2=α，d12為信號的走離系數(shù)，可用走離系數(shù)來描述光纖的色散（CD）效應(yīng)，見式（3）。

本研究根據(jù)上述公式進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)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?dāng)_仿真圖見圖3。在計(jì)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(jié)果可以看出，由SRS引起的串?dāng)_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?dāng)_在迅速減小，且光波長的間隔越遠(yuǎn)，相互間的串?dāng)_就越大。這與圖2的測試結(jié)果（光波長的間隔越遠(yuǎn)在低頻段串?dāng)_就越大）是符合的。由仿真結(jié)果可知，隨著入光功率的增大，由SRS引起的串?dāng)_也隨之增大；隨著入射光纖的增長，由SRS引起的串?dāng)_也越大。但在高頻段由SRS引起的串?dāng)_會隨頻率的增加而迅速降低。

圖3 進(jìn)光纖功率不同情況下由SRS引起的串?dāng)_仿真

如果只考慮SRS引起的串?dāng)_，就跟圖2對應(yīng)的實(shí)際測試結(jié)果有較大的出入，特別是高頻段的測試數(shù)據(jù)差距非常大。有研究表明，多路強(qiáng)度調(diào)制的光信號在同一根光纖中傳輸時，會存在相互相位調(diào)制現(xiàn)象，也即交叉相位調(diào)制（XPM）［3］。在一條包含兩信道的強(qiáng)度調(diào)制鏈路中，由XPM所引起的串?dāng)_計(jì)算過程會用到SRS計(jì)算中的參數(shù)［4］。XPM所導(dǎo)致串?dāng)_的幅度和相位的計(jì)算公式見式（4）、式（5）［5-6］。

式中：ρXPM為XPM過程的偏振重疊系數(shù)。

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?dāng)_。在計(jì)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?dāng)_也隨之增大。與SRS引起的串?dāng)_不同的是，由XPM引起的串?dāng)_不會隨著頻率的增大而減小，反而會增大。

圖4 進(jìn)光纖功率不同以及光纖長度不同的情況下由XPM引起的串?dāng)_仿真

10 dBm入光總功率11 km光纖鏈路的串?dāng)_測試結(jié)果和仿真結(jié)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(shù)選取跟實(shí)際存在一定偏差造成的。兩波長光的偏振重疊系數(shù)都取1進(jìn)行仿真，實(shí)際中用的是非保偏光纖，偏振重疊系數(shù)應(yīng)小于1，這也造成計(jì)算結(jié)果比實(shí)際測量值略微偏大。

圖5 10 dBm入光功率+11 km光纖情況下串?dāng)_的計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果比較

3 結(jié)語

綜上所述，本研究利用光傳輸?shù)鸟詈喜罘址匠逃?jì)算出基于波分復(fù)用體制的射頻光傳輸過程中通道間的串?dāng)_。對串?dāng)_形成的兩種機(jī)制（SRS、XPM）分別進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果有著較好符合，低頻段以SRS引起的串?dāng)_為主，高頻段以XPM引起的串?dāng)_為主。由SRS引起的串?dāng)_，光波長的間隔越大，串?dāng)_就越大，由XPM引起的串?dāng)_光波長的間隔越小，串?dāng)_就越小。因此，在基于波分復(fù)用的射頻光傳輸系統(tǒng)中，若傳輸?shù)氖? GHz以下的信號，應(yīng)盡可能選擇波長間隔近的光波長；若傳輸?shù)氖? GHz以上的信號，應(yīng)盡可能選擇波長間隔遠(yuǎn)的光波長。該試驗(yàn)與計(jì)算仿真結(jié)果可指導(dǎo)實(shí)際的波分復(fù)用體制的光傳輸射頻通道的分配。