超長距離無中繼微波光子鏈路傳輸的探討

摘要：文章建立了采用外調制方式的超長距離無中繼微波光傳輸鏈路的理論模型，分析了超長距離無中繼微波光子鏈路傳輸系統在工程設計中需要考慮和解決的問題及其實現方案，論述了超長距離無中繼微波光傳輸方案的應用模型及各種設備在系統中所起的作用。

關鍵詞：微波光子鏈路 拉曼放大器 色散 受激布里淵散射 外部調制

中圖分類號：TN929.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）06-0176-02

1 引言

自從把微波技術和光子技術的優勢融合后所形成的一門新興的學科—微波光子學（Microwave Photonics ，MWP）由于具有帶寬大、體積小、重量輕、損耗小、抗電磁干擾、低色散等多方面的優良特性，在電子戰、雷達、ROF無線通信、射電天文和有線電視（CATV）等軍事和民用方面都獲得了廣泛的應用[1-4]微波光子鏈路（Microwave Photonic Link：MPL）作為微波光子學的基石，主要完成微波信號和光信號之間互相轉換及傳輸任務。

超長無中繼微波光傳輸系統具有端到端直達通路，線路中間無光放大器或光電轉換器等中繼設備，與傳統的微波光傳輸系統相比是一種十分重要的微波光子系統，比如超長距離分布式雷達采用光子技術的優勢，同時將基站和天線的之間的距離延長了幾十倍，相比短距離傳輸不僅提高了抗打擊的能力，還可有效解決通信線路經過沙漠、沼澤以及海底等無人區的問題，大幅度降低中繼站的建設與維護成本。

然而，隨著傳輸距離的延長，怎樣降低鏈路中器件設備所引起的噪聲、如何減小超長距離傳輸對光信號的功率衰減、怎樣克服色散導致信號周期性衰落以及怎樣降低非線性效應對信號傳輸的影響等等，一直都是超長距離無中繼微波信號傳輸所面臨的技術難點。并且目前很多學術研究及工程應用都是針對數字領域超長無中繼系統，研究模擬的超長無中繼微波光傳輸的相關報道非常少。因此，探討低噪聲、大動態的MPL超長傳輸的可行性將為以后的學術研究及工程應用提供理論指導。

2 超長距離無中繼微波光子鏈路系統分析

2.1 超長距離無中繼微波信號傳輸的受限因素

雖然超長距離無中繼的光信號在光纖中傳輸的損耗很低 （0.2dB/km），但在電光轉換（E/O）以及光電轉換（O/E）的過程中仍然會引入損耗，同時也還會出現非線性失真和大量的噪聲，同時，隨著傳輸距離的延長，若進入光纖光功率太大，達到受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）的閥值[5]，會導致大部分的輸入光信號在光纖傳輸過程中被轉換成后向傳輸的斯托克斯光，前向傳輸的信號光則被非線性地衰減，并且超過一定的閾值時，光纖的出射功率不隨入射功率的增加而增加，反而下跌。由于不同頻率的光信號在光纖中傳輸具有不同的群速度，從而具有不同的傳輸時延，最終引起色散，隨著傳輸距離增加，色散現象會導致信號波形失真，其累積效應最終將會嚴重影響微波信號的傳輸質量。綜上所述，如果不對鏈路進行優化，將會出現嚴重的性能下降。因此，為了保證信號超長鏈路傳輸的可行性，超長距離微波光鏈路的設計所采取的關鍵技術是至關重要的。

2.2 超長距離無中繼微波信號傳輸的關鍵技術

2.2.1 調制方式

超長距離無中繼微波光傳輸系統根據調制方式不同，可以分為直接調制和外部調制兩種方式。

直接調制方式是將微波信號攜帶的信息轉變為電信號直接加在半導體激光器上，對光信號進行調制，然后已調信號經過一段長的光纖鏈路傳輸，最后經光電探測器解調恢復出成原始微波信號。直接調制鏈路的優點是簡單、經濟以及容易實現，也是目前短距離光纖通信中廣泛應用的鏈路結構。但是，在光纖自身的色散效應作用下，直接調制鏈路會引起啁啾與調制頻率成正比，展寬傳輸譜，進而限制傳輸距離。

相比于直接調制方式而言，外部調制的結構雖然復雜，不易控制，但是外調制可以提供很寬的調制頻率，同時避免直接調制鏈路中的信號失真較大和調制速率低等問題，除此之外，外調制方式可以解決直接調制鏈路中半導體激光器的頻率啁啾“chirp”效應，實現長距離的通信。對于外調制方式的微波光子鏈路所采用的電光調制器一般采用目前使用最為廣泛的鈮酸鋰晶體的馬赫-曾德爾調制器（（Mach-Zehnder Modulator，MZM））。

2.2.2 光放大技術

集中式放大的摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifiers，EDFA）自誕生以后，成為了光通信發展的一個“里程碑”。由于EDFA的泵浦效率高、工作性能穩定以及技術成熟，同時，帶寬很大，且增益曲線非常好，進而在模擬和數字領域的應用已經相當成熟，解決了鏈路中微波信號傳輸距離受光纖損耗的限制。另外，EDFA可用作超長距離微波光子系統光發射機的功率放大器、在線中繼放大器以及光接收機的前置放大器。然而相比數字超長距離而言，模擬的超長距離微波光子鏈路的容忍度要差很多，假設在鏈路中間級聯多個EDFA將會使鏈路中積累很多自發輻射噪聲（ASE），從而降低信噪比。拉曼放大器（Raman Amplifier，RA）在數字領域超遠距離（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）通信系統中的廣泛應用主要是因為它可以放大EDFA所不能放大的波段實現全波段放大、增益介質是傳輸光纖本身可對光信號進行在線放大、噪聲系數較低等優點[6]，從而大大提高系統的光信噪比（OSNR）。因此我們可以借鑒拉曼放大器在數字超長無中繼傳輸中的優勢將其應用在模擬超長距離無中繼微波光傳輸系統中。

2.2.3 色散補償技術

在超長距離微波信號傳輸系統中，光纖自身的色散效應會導致信號功率周期性衰減，同時色散還會引起傳輸信號波形失真，限制傳輸帶寬，進而影響信號質量，并且傳輸信號頻率的提高和傳輸距離的增大都會使這一效應更加突出。因此在超長距離傳輸系統中，色散是限制模擬光信號傳輸的主要原因。在模擬超長距離光傳輸中，為了盡可能減小色散對系統信號的影響就必須采取一定的手段，比如使用目前最多的色散補償模塊（Dispersion Compensator Module，DCM）來抵消掉一些負色散，同時通過色散補償器補償色散量時，必須準確的計算鏈路所需要補償的距離，同時色散補償器在鏈路中的放置位置也很重要，只有準確計算以及放在合適的位置，才能保證對鏈路既沒有欠補償，也沒有過補償浪費成本，從而提高鏈路的性能指標，達到我們的設計目標。

3 超長距離無中繼微波光子鏈路系統傳輸的解決方案

根據前面的分析可建立如圖1所示的基于外部調制方式的超長距離無中繼微波光子鏈路，從激光器出來的光信號作為載波被加載在馬赫-曾德爾調制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）上的微波信號所調制，然后已調信號經過一段超長距離光纖傳輸，經過拉曼放大器（RA）分布式放大后，最后從探測器中恢復出微波信號。

圖1采用一個EDFA做發射模塊輸出端的功率放大器，提高發送功率，延長傳輸距離，通過控制MZ調制器的偏置點結合EDFA集中式放大來解決增益提高，噪聲降低二者能夠兼容的問題，同時也能很好的抑制受激布里淵散射（SBS）。

當光信號經過一段超長距離的光纖傳輸后，采取EDFA和拉曼放大器（RA）混合放大來增加光功率預算，提高系統的光信噪比（OSNR），延長信號的有效傳輸距離。鑒于色散補償模塊（DCM）可以周期性地使鏈路上累積的色散接近零的優勢，從盡量減小非線性效應的角度出發，考慮到DCM具有附加損耗，若放在混合放大前面將降低放大器的輸入驅動光功率，劣化系統的CNR指標，本文將DCM放在EDFA的后面接收端的前面增加放大器的輸出光功率的同時還可以彌補DCM模塊的附加損耗，來減小色散對系統指標的影響。

4 結語

本文對超長距離微波光傳輸系統中的關鍵技術進行了探討，提出了集中式放大和分布式放大技術、外部調制技術以及色散管理等解決方案，通過摻鉺光纖放大器與拉曼放大器相結合的放大技術以及色散補償色散的手段來延長微波信號的傳輸距離。另外，為了保證系統的可行性，需要對傳輸鏈路選擇合適的器件，比如配置光發射機時應選用SBS閾值較大大、光源線寬較窄的外調制光發射機，發射機的SBS閾值越大，則可以提高進入光纖光功率，進而增大傳輸距離。理論上說明了方案的可行性，為實際應用提供了一定的指導。

參考文獻

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