多模光纤RoF系统的模式噪声分析

王旭昌， 侯韶华

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

0 引言

光载无线（RoF, Radio-over-Fiber）系统是将射频（RF, Radio Frequence）信号调制到光频率并在光纤网络中进行传播的技术，该技术综合了无线电波通信和光纤传输的优点，具有低损耗、大带宽、抗电磁干扰、接入方便等优势，可广泛应用于有线电视广播、移动通信、智能交通等领域[1]。

多模光纤具有纤芯粗、数值孔径大、易于安装及配套元器件价格低廉等优点，这些优点使得多模光纤成为了短距离RoF链路中的首选介质，例如可实现“最后一公里”连接或建筑物内的分布式天线系统（DAS, Distributed Antenna Systems）等[2-3]。

当使用多模光纤作为传输介质时，第一个突出问题是由于模间色散，光纤的带宽会因为色散而降低。最近已有文献报道[4]，使用模场匹配中心入射技术使得多模光纤克服模间色散实现了类似单模光纤的性能。而且，当考虑短距离（几百米）的链路或使用窄线宽激光器时，模间色散一般不构成主要限制效应[5]；相反，由模式噪声导致的接收信号信噪比的恶化对系统性能有很大的影响。

已有文献[6]直接借鉴了数字光纤通信系统中分析模式噪声的方法对RoF系统的模式噪声进行了分析，此方法得到的噪声中包含了带外噪声，而且检测电流的直流偏置也作为信号功率考虑，文章认为在短距离链路中模式噪声不造成大的影响。于此不同，最近文献[7]将检测电流的平均交流分量作为RF信号，给出了射频信号增益波动随频率啁啾、调制深度、光纤长度和检测面积的关系，但并未给出具体载噪比范围及其随各参量的变化。

针对RoF链路特点对多模光纤中的模式噪声进行分析能为提高链路性能提供途径。

1 模式噪声的产生及影响

当相干光在多模光纤中传输时，不同模式间会产生相互干涉，使得在光纤端面上产生散斑图样。激光器的啁啾、温度起伏、光纤的振动都会引起散斑图样的随机变化，当散斑通过具有模式选择性损耗的元件（例如不完善的接头，面积有限的检测器等）时，只有一部分散斑通过元件，导致输出功率随时间变化，形成寄生调幅，成为噪声，即模式噪声。

图1 光纤端面散斑图样及连接失配

因此，多模光纤系统产生模式噪声的条件是[8]：

1）光源的相干性。假如模式m和模式n之间的时延差小于相干时间，则两模式相干，进行矢量叠加，相互干涉；否则不相干，功率进行相加，不产生干涉。光源线宽越窄，色散越小，则相干性越强，散斑越明显。

2）模式选择性损耗。也称为空间滤除，光纤接头的不完善或者接收端的耦合不完全都会产生模式选择性损耗，使得只有一部分功率传到下级元件，接头的横向错位导致的滤除效应如图1所示。

3）光纤的微弱振动或频率漂移。光纤的振动或微弯会使光纤内部横截面的折射率产生变化，频率漂移使模式间产生很大的相位差变化，从而影响各模式的传播速度、模间时延差、散斑分布，这样通过模式选择性损耗元件就会产生功率变化，成为噪声。

在RoF链路中，若使用相干性较弱的发光二极管（LED）作为光源，可以有效降低模式噪声，但是调制带宽只有几百兆赫，出于链路性能考虑，使用线宽很窄、相干度很高的激光器。光纤接头目前已经可以做得很好，失配在1 μm内，接收端光电二极管会有耦合不完全现象。光纤微弱振动和发射机频率啁啾是影响模式噪声的重要参数。

模式噪声只有在传送信号时才有，是一种乘性噪声，它的产生会使数字光纤通信系统的误码率增加，使模拟光纤通信系统的信噪比下降，RoF链路属于模拟调制光纤通信系统，模式噪声影响表现为载噪比的恶化。

2 多模光纤RoF系统及模式噪声模型

2.1 强度调制-直接检测RoF系统结构

为保证基于多模光纤的短距离RoF链路的高性能，同时保持在成本方面的竞争优势，使用基于激光二极管（LD）强度调制-直接检测方案。发射机直接利用单模光纤RoF中的带单模尾纤的激光二极管发射机，接收机使用PIN光电检测二极管，简单如图2所示。

图2 强度调制-直接检测(IM-DD) RoF系统

系统由输入放大器、激光二极管发射机、多模光纤（MMF）、光电检测器（PD）、输出放大器、带通滤波器组成。

RF信号在经过放大后对激光二极管进行直接强度调制，通过单模尾纤将光功率导入多模光纤中，接收机检测后将电信号进行放大、滤波，恢复 RF信号。

2.2 模式噪声理论模型

当传播距离z后，在多模光纤末端，电场为：

检测电流正比于接收光功率，则检测电流为：

Φ为各模式平均时延差的均值。

射频分量的平均幅值及波动量近似解为：

由式（4）、式（5）可得出载噪比为：

3 结果分析

图3 载噪比随的变化

图4 载噪比随光纤长度的变化

4 结语

以上分析了模式噪声的产生、短距离低成本的RoMMF链路中的模式噪声，并给出了理论模型及结果。结果表明，对于给定的光纤长度和接头质量，可以通过增大光调制深度、减小啁啾、增大检测器面积来提高载噪比。调制深度并不能无限制增大，过大的调制深度会产生削波从而引入非线性失真；增大检测面积可以降低模式选择性损耗从而提高载噪比。

[1]柯贤文，张伟，张志谦,等.光载无线通信技术及其应用分析[J].通信技术, 2011, 44(04)：45-47.

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[8]叶培大，林金桐.光纤通信系统中的模式噪声[J].通信学报, 1981（04）：80-86.