模拟信号光纤传输系统中色散的研究

黄锋锋,蒋鹏宇,蒋高健

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

随着信息技术的发展和进步，尤其是5G移动通信的成熟和商用，同时人们对包括声音、数据、图像和影视等多媒体通信的需求越来越高，并且希望能在任何时候任何地点向个人提供这些通信业务，因此需要更高速率、更大容量的通信。光纤通信系统以其低传输损耗和巨大的带宽成为解决宽带传输的有力手段。

由于现在低频资源已经几乎都被占用了，随着使用更高的微波频段，遇到的困难也越来越大，最主要的问题是大气中传播时频率越高的微波功率衰减越快，这就导致了信号传输的距离越短，需要非常多的中继站和基站，由于频率越高器件成本也越高，可见用传统的无线通信方法实现商用很不现实。于是，针对高频通信，利用光纤来实现传输成为主要的解决方案。

1 模拟信号光纤通信系统

模拟信号光纤通信技术就是指利用光纤代替大气作为一种传输媒质来传送宽带射频信号，如基带、中频或射频信号的一种传输技术，在模拟光纤通信系统中无线信号通过使用光器件、光技术调制然后进行传送分发[1]。输入模拟光纤系统的电信号可以是基带数字信号、中频信号和射频信号。这些电信号用于调制光信号，然后光信号再通过光纤网络传输到远端基站。在远端基站，通过光电探测器得到电信号从而提取传送的信息。

模拟光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，由于具有频带宽、通信容量大、损耗低及传输距离长等优点而被广泛应用于通信领域。从光学的角度来看，限制模拟信号光纤传输系统的因素主要包括损耗、色散等。

模拟光纤传输的光纤损耗遵循比尔定律，即输入功率、输出功率及传输损耗之间的关系式，即比尔定律

式中，L是传播距离，γ是用dB/km表示的功率衰减。

常用的光纤传输窗口是1310nm和1550nm波长，对应的传输损耗为0.3dB/km和0.25dB/km，单就传输损耗而言，常规的应用现在都不是主要问题，比如传输30 km，在1310nm波长下损耗为9dB，不管是通过光放大还是电信号的放大都已经非常成熟。

2 色散

在光纤中传输的光信号(脉冲)的不同频率成分或者不同的模式分量以不同的速度传播，达到一定的距离后必然产生信号失真(脉冲展宽)，这种现象称为光纤的色散或弥散。光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。

光纤色散的产生基于两个方面的因素，一个是进入光纤的光信号不是单一频率的光，因为光源发出的光不是单色光或者是光谱具有一定的宽度；另一个是光纤对光信号的色散作用。

色散导致光脉冲在时域上的展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起信号的码间干扰，影响系统性能。由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同，当它们所携带的光脉冲在光纤中传输一段距离后，将互相散开，于是光脉冲展宽。严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，使通信质量下降。为保证通信质量，必须加大码间距离，这就降低了通信容量。另一方面，传输距离越长，脉冲展宽越严重，因而色散也限制了光纤的传输距离。

由于光纤中所传信号的不同频率成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。

假设光纤系统中的光源所发出的光都是单一波长的(换种说法，即单一频率的)，实际的光源在一个特定的波长范围内发光。这个范围称为光源的线宽，或者谱宽。光源的线宽越窄，其相干性就越好。理想的相干光源发射单波长的光，其线宽为0，因而是理想的单色的[2]。

3 色散对模拟信号光纤传输的影响

理想的光信号在时域为单频点信号，在频域带宽为0。实际光信号都有一定的带宽，假设一个窄线宽的光信号由多个形状完全相同但波长不同的理想脉冲组成。光信号在光纤中是通过全反射传输的，根据折射率为n=c/v，其中c是光在真空中传输速度，c= 3×108m/s，v是光在光纤中的传输速度。折射率n在不同的波长不同，但是差异很小，例如在常用的1310nm窗口的折射率是1.46750,1550nm窗口的折射率是1.46800。窄线宽光源中组成的各个单脉冲波长差异很小，相互之间的折射率差异也会很小。在光纤中，这些脉冲以不同的速度传输，到达光纤末端的时间会有差别。这个差别的大小和传输距离成正比，在输出端再将其叠加起来，形成输出脉冲，相对于输入信号，输出信号被展宽了。这解释了色散如何导致脉冲畸变，脉冲传输的越远，其展宽的越严重。

图1 窄线宽光源在光纤中的传播

光信号的色散会带来调制在光信号上模拟信号产生失真，和上文一样假设窄线宽光源由三个不同波长的理想光脉冲组成，模拟信号调制到窄线宽光源上，实际上就是调制到三个不同波长的理想光脉冲上。

图2 色散引起的模拟信号传输的失真

在输入端，调制在三个光波长上的模拟信号在相位上变化相同，叠加在一起产生一个幅度变化更大的信号。在光纤介质中传播一段距离后，由于色散的原因，这些调制在不同光波长上的模拟信号在相位上不再相同。当叠加在一起时，所形成的信号的幅度变化变小、信号频谱展宽，色散并没有改变平均功率或者调制功率，但减小了信号的幅度变化，传输的信息就包含在信号的变化之中，所以这种幅度衰减会影响信息的传输，我们可以将这种结果看成信号峰值的扩展(降低幅度)和波谷的填充(抬高其幅度)。

4 色散的解决方法

由材料色散(或波导色散)引起的信号畸变可通过使用窄线宽光源来降低，线宽越窄包含的不要波长脉冲数量越小、不同波长的光脉冲之间的波长差异也越小，经光纤传输以后，可以在光接收机对光束进行滤波来减小色散畸变。光滤波器只允许带宽非常窄的光波到达光检测器，但这种技术有两个缺点：一是生产研制足够窄的滤波器技术难度非常大；二是窄带滤波器会滤掉带外的波长的光，光滤波器的带宽越窄，滤掉的光信号越多，因此大大降低了光功率，在模拟信号光纤通信中，模拟信号是直接调制在光信号上的，模拟信号的功率和光功率成线性关系，光功率降低会导致传输和转换效率成线性降低。

在模拟信号光纤传输通信系统中，强度调制方法产生的是双边带信号，在光纤色散的影响下，接收端光检测器输出的模拟信号强度随光纤长度周期性变化，产生”周期性衰落效应”。因此，光载RF信号在光纤中传输的距离受到限制，而且模拟信号的工作频率越高，光纤色散对链路传输距离的限制就越严重[3]。

由光纤传输引起的色散可进行色散补偿，常用的方法是采用负色散的光纤进行色散补偿，让不同频率光信号和在普通光纤中的表现相反。除此之外还有采用光纤光栅、预啁啾等技术做色散补偿。