采用啁啾光纤光栅色散补偿的长距离副载波复用光纤有线电视系统实验

宋英雄, 宋建港, 林如俭, 范春华

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

采用啁啾光纤光栅色散补偿的长距离副载波复用光纤有线电视系统实验

宋英雄, 宋建港, 林如俭, 范春华

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

给出采用啁啾光纤光栅进行色散补偿的 1 550 nm副载波复用 (subcarriermultiplexing,SCM)长距离光纤有线电视 (cable TV,CATV)系统的实验结果.对系统中啁啾光纤光栅色散补偿器的最佳位置进行实验,实验结果与理论计算的最佳位置相符,并得到较好的组合二阶互调 (composite second order distortion,CSO)输出指标.通过建立200 km传输实验系统,对比有无色散补偿模块 (dispersion compensation module,DCM)时的指标测试结果,证明采用啁啾光纤光栅作色散补偿能够改善由自相位调制 (self-phasemodulation,SPM)效应引起的 CSO指标劣化.

啁啾光纤光栅;色散补偿;自相位调制;组合二阶互调

1987年,Ouellette[8]首次提出采用线性啁啾光纤光栅进行数字通信系统的色散补偿.Marti等[9-10]提出采用啁啾光纤光栅进行模拟 SCM光纤传输系统的色散补偿,但没有考虑光纤的 SPM效应及存在多级掺饵光纤放大器 (erbium-doped op tical fiber amplifier,EDFA)时非线性指标的劣化情况,故不适用于长距离光纤 CATV系统.文献[11]给出了采用啁啾光纤光栅色散补偿时的理论分析结果,但由于将传输系统中的色散补偿模块 (dispersion compensation module,DCM)与 EDFA放置在一起,移动 DCM就意味着移动 EDFA,这与实际情况不相符,并且该研究没有给出完整的实验结果,对工程设计的指导作用不大.文献[12]指出 CSO与 EDFA输出功率、光调制度、载波频率等参数相关,且色散补偿器的位置对补偿效果具有较大的影响,通过理论模型计算可以得出DCM的最佳位置.

本研究通过 1 550 nm长距离 SCM光纤 CATV传输系统实验,验证了文献[12]得出的啁啾光纤光栅DCM具有最佳位置的结论及对 CSO指标的改善作用,证明了文献[12]理论分析的有效性.

1 没有色散补偿时系统 CSO的测试结果

图 1为没有色散补偿时 CSO指标的测试框图.由多路信号发生器产生 59个频道的 PAL-D载波信号,载波电平为每频道 80 dBmV;输入 1 550 nm CATV外调制光发送机,对应的光调制度约为每频道 0.03,光发送机输出功率为 +9 dBm,经 EDFA放大后变为 +16 dBm,再经过 3段 50 km光纤和 2个线路 EDFA后输入可调光衰减器 (variable op tical attenuator,VOA);调节 VOA,使输出光功率为-1 dBm,输入 CATV光接收机;用带 CATV测量功能的频谱仪对光接收机输出的电信号进行指标测试.所用 EDFA的输出功率均为 +16 dBm,光纤的损耗系数为 0.2 dB/km.

图 1 没有DCM的 1 550 nm长距离传输实验系统结构Fig.1 1 550 nm long-haul transm ission exper imentsystem w ithout DCM

图 2为没有色散补偿的长距离传输系统在DS22频道 (543.25 MHz)的 CSO测试结果及其与文献[12]中理论计算结果的对比图.由图可以看出,实验测试情况下的 CSO指标劣化较快,传输 100 km后约为 -54 dBc,150 km后为 -42 dBc,而理论计算结果比测试结果的斜率更大,CSO指标劣化更快.这是由于在外调制光发送机中具有为提升受激布里渊散射 (stimulated Brillouin scattering,SBS)门限而设置的电光相位调制器 (electro-optic phase modulator,EPM).由文献 [13]的仿真结果可知,由于 EPM的存在,CSO指标会在某一距离最佳,随后增加较快.

图 2 没有DCM的长距离传输系统 CSO测试结果Fig.2 L ong-haul tran sm ission system CSO test results w ithout DCM

图 3为光纤长度为 100 km时DS22频道的 CSO测试频谱图.可见在载波频率为 1.25 MHz处有一较大的互调干扰,对应的 CSO指标劣化为 -53 dBc左右.

2 入纤功率对 CSO指标的影响

SPM效应与入纤功率直接相关,本研究通过改变系统的 EDFA输出功率来验证入纤功率对 CSO指标的影响,如图 4所示.由图可见,CSO指标随入纤功率的增大而增大.

由于入纤功率的减小直接导致后级 EDFA的输入功率减小,从而影响输出载噪比 (carrier to noise ratio,CNR),因此,本研究也对 CNR进行了测试.图5为CNR测试结果.由图可见,CNR随入纤功率的减小而下降,但在入纤功率超过一定值后,CNR变化较小.

图 3 100 km光纤 CSO测试频谱图Fig.3 Spectrum of 100 km f iber CSO test

图 4 入纤功率对 CSO指标的影响Fig.4 CSO influenced by f iber input power

图 5 入纤功率对 CNR的影响Fig.5 CNR influenced by f iber input power

对照图 4和图 5可知,当入纤功率从 16 dBm减小到 14 dBm时,CSO指标改善了 7～8 dB,而 CNR的劣化在 0.5 dB以下.因此,在工程设计和调试时,在满足链路功率预算的前提下,可以采用减小入纤功率的方法改善 CSO指标,但应同时考虑减小入纤功率对 CNR的影响,在二者间作出折衷.

3 色散补偿器位置对 CSO指标的影响

文献[12]通过推导与仿真得出存在最佳色散补偿器位置的结论,本研究采用如图 6所示的系统进行验证.图中 DCM放置于 EDFA后,通过调整 L2和L3光纤的长度,使 DCM位置从50 km开始以10 km步进到 100 km,光纤总长保持在 100 km.测试所用DCM的色散量为 -1 360 ps/nm,EDFA输出功率为 16 dBm,测试频道为 DS22.

图 6 DCM位置对 CSO影响的测试框图Fig.6 Exper iment d iagram of CSO influenced by DCM position

图 7所示为 DCM位置对 CSO的影响.实验测试结果显示,当 DCM位置变化时,100 km光纤输出的CSO指标也在变化,而且存在一个最佳的DCM位置,使 CSO最小.对比理论计算结果,二者的 DCM最佳位置基本一致,均为 60 km左右.虽然 CSO的具体数值有一定差距,但变化趋势基本一致,这说明文献[12]得出的DCM最佳位置可以用于指导工程实践.理论计算与实测曲线的差值是由于相位调制 EPM和DCM衰减 (＜2 dB)及啁啾光纤光栅时延抖动造成的.

图 7 DCM位置对 CSO的影响Fig.7 CSO influenced by DCM position

由图 7中的实验测试结果可以看出,DCM的最佳位置不在 EDFA处,而在 EDFA后某一位置,并且随传输距离、DCM的色散量的变化而变化,这也是以往采用啁啾光纤光栅 DCM实验得不到较好结果的重要原因之一(以往实验均将DCM与 EDFA放置在一起).

图 8为 DCM处于较佳位置 (60 km)时,100 km光接收机输出的 CSO测试频谱图.可见,在1.25MHz处的互调干扰信号减小到 -67.6 dBc.对比图 3可见,CSO指标改善了 14.3 dB,满足系统指标要求.

图 8 DCM位于 60 km处时,100 km光纤输出 CSO测试频谱图Fig.8 Spectrum of CSO at 100 km fiber output w ith DCM at 60 km position

4 采用啁啾光纤光栅色散补偿的200 km长距离光纤 CATV系统传输实验

综合以上分析结果,本研究进行了 200 km长距离光纤 CATV系统的传输实验,系统结构如图 9所示,实验装置如图 10所示.系统共包括 4台 EDFA,4个 50 km中继段,每个 EDFA后由 VOA调节入纤功率.为了提高最终的输出指标,采取了以下措施.

(1)将前 3级中继段的入纤功率调至 14 dBm,由图 4可知,100 km处输出的 CSO指标可以达到-60 dBc以上,而 CNR基本保持不变.

(2)将 BKTEL ES10A光发射机的 SBS阈值调至 14 dBm,相当于减小 EPM的调制度,可以进一步改善 CSO指标.

图 9 1 550 nm长距离传输实验系统结构Fig.9 1 550 nm long-haul transm ission exper im ental system

图 10 1 550 nm长距离传输实验装置Fig.10 Exper iment setup of 1 550 nm long-haul transm ission

(3)对系统进行色散补偿,将 -2 380 p s/nm的啁啾光纤光栅 DCM按计算结果放置于 150 km处EDFA后.为了补偿 DCM的 2 dB衰减,将第 4段光纤的入纤功率调整为 16 dBm.

图 11为在 200 km光纤输出端,有无色散补偿时50～860MHz带宽的测试结果频谱图,其中 550 MHz以下为载波信号.图 11(a)表明没有色散补偿时,频率的高端存在大量由 SPM效应造成的干扰信号,使高端数字电视频道的调制误差比 (modulation error rate,MER)严重下降,从而使误码率劣化;而图11(b)表明经过色散补偿后,高端的单频干扰信号基本消失.图 12为有无 DCM时 DS22频道的 CSO测试频谱图.图 12(a)表明没有色散补偿时,DS22频道的CSO下降到了 -38.4 dBc,显然无法应用于实际系统;而图12(b)显示经过色散补偿后,DS22频道的CSO改善为 -61.4 dBc.

图 11 有无 DCM时的全带宽频谱图Fig.11 Spectrum of full bandwidth without and with DCM

图 12 有无 DCM时 DS22频道 CSO测试的频谱图Fig.12 Spectrum of DS22 CSO test without and with DCM

表1为 DS4频道和 DS22频道具体指标的对比测试结果.可见,在长距离光纤 CATV传输系统中,SPM主要影响系统高端频道的 CSO指标,系统复合三阶差拍 (composite triple beat,CTB)指标保持较好.CNR指标劣化主要由 EDFA产生,DCM对 CTB和 CNR指标的影响不大,但对 CSO指标有较明显的改善作用.

表1 有无DCM时 200 km传输系统测试指标Table 1 Test results of 200 km tran sm ission system w ith and w ithout DCM dB

实验总结如下:

(1)长距离传输系统的 CTB指标劣化不明显;

(2)长距离传输系统低频端的 CSO指标劣化不明显,但高频端的 CSO指标劣化较明显,这与理论计算结果相符 (由文献[12]可知,频率增加一倍,CSO劣化 12 dB);

(3)采用啁啾光纤光栅DCM对由 SPM引起的CSO指标劣化具有较好的补偿作用,DCM的位置设置直接关系到补偿效果,对给定的 DCM色散量,DCM有最佳位置.

5 结 束 语

本研究采用啁啾光纤光栅进行色散补偿的1 550 nm SCM长距离光纤 CATV系统的实验,测试了没有色散补偿时 CSO随传输距离和入纤功率的变化;对 100 km传输系统中啁啾光纤光栅色散补偿器的最佳位置进行了实验,发现与文献[12]的理论计算结果基本相符,将色散补偿器置于最佳位置时,可以得到较好的 CSO输出指标,证明文献[12]的理论计算结果对工程实践具有较好的指导作用.本研究建立了 200 km传输实验系统,测试了有无 DCM时的系统指标,结果显示 DS22频道的 CSO改善了23 dB,这表明采用啁啾光纤光栅进行 DCM能够改善由 SPM效应引起的 CSO指标劣化.

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Exper im ent of L ong-Haul Subcarr ier M ultiplexing Cable TV System Using Ch irped Fiber Grating D isper sion Com pensation

SONG Ying-xiong, SONGJian-gang, L IN Ru-jian, FAN Chun-hua
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Network,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

We present experiment results of dispersion compensation using chirped fiber grating in 1 550 nm subcarriermultip lexing(SCM)long-haul cable TV(CATV)system.By p lacing the dispersion compensation module(DCM)at the theoretically op timal position,better composite second order distortion(CSO)is obtained.The test results of 200 km long-haul system w ith and w ithout DCM show that chirped fiber grating DCM can improve the CSO performance.

chirped fiber grating;dispersion compensation;self-phase modulation(SPM);composite second order distortion(CSO)

TN 929.11;TN 913.3

A

1007-2861(2011)01-0051-06

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.008

2010-04-02

上海市重点学科建设资助项目(S30108);上海市科委重点实验室资助项目(08DZ2231100);上海市科委基金资助项目(08706201000)

宋英雄 (1973～),男,副研究员,博士,研究方向为光纤通信系统.E-mail:herosf@shu.edu.cn

(编辑:赵 宇 )

1 550 nm长距离副载波复用 (subcarrier multiplexing,SCM)光纤有线电视 (cable TV,CATV)系统的主要问题是,色散和自相位调制 (selfphasemodulation,SPM)会引起系统组合二阶互调(composite second order distortion,CSO)指标的严重劣化.国际上从 20世纪 90年代中期开始对这个问题进行了一些研究[1-4],但是由于在国外,特别是光纤 CATV系统最发达的北美地区,对超长距离光纤CATV系统传输的需求不大,相关研究在 20世纪 90年代末陷于停顿.但在中国,市县级长距离联网的需求强烈,近年来,研究人员采用不同的技术进行了一些实验和工程实践[5-7],但这些实验基本都采用凑试法,缺乏理论指导,以致实验结果差异较大,效果也不理想.