多模光纤微波光子链路中模式噪声研究

多模光纤微波光子链路中模式噪声研究 单位代码: 10293密 级: 硕 士 学 位 论 文论文题目:多模光纤微波光子链路中的模式噪声研究 Y002090840 学 号王 旭 昌 姓 名侯韶华 副教授 导 师 电磁场与微波技术 学 科 专 业 光纤通信系统与网络研 究 方 向工学硕士申请学位类别二?一二年三月论文提交日期 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。 研究生签名:_____________ 日期:____________ 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子文档;允许论文被查阅和借阅;可以将学位论文的全部或部分内容编 入有 关数据库进行检索;可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学 位论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布(包括刊登) 授 权南京邮电大学研究生院(筹)办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名:____________ 导师签名:____________ 日期:_____________ 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业:工学 电磁场与微波技术 研 究 方 向:光纤通信系统与网络 作者:王旭昌 指 导 教 师:侯韶华 副教授 题目:多模光纤微波光子链路中的模式噪声研究 英 文 题 目:Research on Modal Noise in Multimode Fiber Microwave Photonic Links 主 题 词:模式噪声;多模光纤;微波光子链路;光载无线系 统;频率啁啾;非线性 Keywords: Modal Noise; Multimode Fiber; Microwave Photonic Links; Radio-over-Fiber; Frequence Chirp; Nonlinear 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘 要 模式噪声是在多模光纤中产生的噪声,表现为对信号的寄生调幅,模式噪声的出现会提 高数字通信系统的误码率,降低模拟通信系统的信噪比。微波光子链路结合了光纤通信和无 线通的优点,有大容量、低损耗、接入方便、系统复杂度低等优势;由于多模光纤的易安装、 配套设备成本低等特点,使得多模光纤微波光子链路受到了广泛的研究。对多模光纤微波光 子链路中模式噪声进行可以为改善系统性能提供方向。 文章首先介绍了多模光纤微波光子链路和模式噪声的背景、研究现状,然后分析了多模 光纤的传输特性和模式噪声的起源与影响。多模光纤的频率响应在低频区随频率的增加而降 低,在高频区有多个通带,是值得开发的。模式噪声是一种乘性噪声,它的产生会使数字光 纤通信系统的眼图张开度变小,造成系统误码率增加;模拟光纤通信系统会因为模式噪声而 使得信号信噪比恶化和产生非线性失真。 接着给出了论文所考虑的性能参数,主要有增益性能、信噪比性能、非线性失真谐波和 互调、误差矢量幅度 EVM、误符号率和 Q 因子。将多模光纤微波光子链路设计成满足一系 列性能的系统需要做出几个重要选择,论文对光纤、光源、调制方式、检测方式等的选 择作了介绍。 然后根据强度调制-直接检测多模光纤微波光子链路的结构,通过对链路各部分信号的分 析建立了模式噪声的数学模型,并分析了模式噪声与链路增益、载噪比和非线性失真的关系, 得出了增益波动、载噪比和非线性失真与啁啾、光调制深度、入射方式、光纤长度、检测器 面积的关系。 接下来利用模型通过仿真分析了基于多模光纤的微波光子链路的性能,包括增益、信噪 比、非线性。并对采用不同调制格式的系统进行了仿真,得出了误差矢量幅度 EVM、误符号 率、Q 因子值与调制深度和调制阶数的关系。通过分析和仿真得出了使用低啁啾发射机、较 大调制深度、中心入射技术和较大的检测面积可以降低模式噪声对增益、载噪比的影响,改 善非线性效应,从而增强传输性能。 最后进行了对本文总结和对多模光纤微波光子链路的展望。 关键词:模式噪声;多模光纤;微波光子链路;光载无线系统;频率啁啾;非线 性 I 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract Abstract Modal noise, which is generated from multimode fiber, exhibits parasitic amplitude modulation of signals, and degrades the performance of digital and analog communication systemsBy combining the advantages of optical fiber communication and wireless communication, Microwave photonic links MPL have advantages in large capacity, lossless, easy to access, and low system complexity. Recent years, multimode fiber based MPL has consentrated many attentions, for the feature of easy installing, low cost supporting devises of multimode fiber. Ways can be found to improve the link performance by analyzing the modal noise in multimode MPL First, the background and present situations of multimode fiber MPL were introduced, and then, transfer properties of multimode and necessary condition of modal noise were analyzed. Frequence response of multimode fiber decreases with the increasing of frequence in low frequence area, there are many passband can be utilized in high frequence. Modal noise is a kind of multiplicative noise, the presence of modal noise will decrease the opening degree in eye diagram and increase the BER in digital communication systems, signal-noise ratio will be worse and nonlinear distortion will appear if analog communication systems were considered The performance parameters in multimode fiber MPL mainly contain gain, signal-to-noise ratio, nonlinear distortion product, error vector magnitude, error symbols ratio and the Q factorSome choices need to be selected when design a multimode fiber MPL, the chosing of fibre, light source, modulation technique and detection technique was introducedBy giving the structure of IM-DD multimode fiber MPL and analyzing the signals at every port of the link, the theory model of modal noise was acquired. And then the relationship between performance and modal noise, and more original, the relationship between frequency chirp, optical modulation index, launch condition, fiber length, detecting area and performance, were studied The performance, including gain, carrier to noise ratio and nonlinear product, of multimode fiber MPL was analyzed by utilizing the theory model. The system using different digital modulation mode was simulated, and acquired the relationship between modulation index, modulation mode digital performance. Then, it can be concluded that lower frequence chirp, higher optical modulation index, central launch technical and bigger detecting area can improve transmission performance by reducing the effect of modal noise to gain, carrier to noise ratio and nonlinear product At last, the thesis was concluded and several perspectives for the future work were madeKeywords: Modal Noise; Multimode Fiber; Microwave Photonic Links; Radio-over-Fiber; Frequence Chirp; Nonlinear II 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目 录摘 要I Abstract II 目 录 III 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文内容及框架 4 第二章 多模光纤中的模式噪声分析6 2.1 多模光纤的传输特性6 2.1.1 多模光纤导光原理6 2.1.2 多模光纤的频率响应与带宽7 2.1.3 多模光纤中的色散9 2.1.4 石英光纤与塑料光纤的性能比较. 10 2.2 模式噪声的产生和影响11 2.2.1 散斑图样 11 2.2.2 模式选择性损耗. 12 2.2.3 模式噪声产生的条件及影响 13 2.2.4 降低模式噪声的途径14 2.3 本章小结. 14 第三章 多模光纤微波光子链路设计 16 3.1 链路的性能参数. 16 3.1.1 增益性能 16 3.1.2 信噪比性能17 3.1.3 非线性失真17 3.1.4 误差矢量幅度 EVM. 20 3.1.5 误符号率和 Q因子值. 20 3.2 多模光纤微波光子链路设计选项. 21 III 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3.2.1 多模光纤的选择. 21 3.2.2 检测技术的选择. 22 3.2.3 光源的选择23 3.2.4 调制方式的选择. 24 3.3 本章小结. 27 第四章 多模光纤微波光子链路模式噪声的建模28 4.1 强度调制-直接检测微波光子链路的结构. 28 4.2 模式噪声的数学分析 29 4.3 链路增益和载噪比模型33 4.3.1 模式噪声对链路增益的影响 33 4.3.2 模式噪声对载噪比的影响 33 4.4 非线性失真分析. 34 4.5 本章小结. 39 第五章 多模光纤微波光子链路的仿真及性能分析. 40 5.1 模式噪声对链路增益的影响 40 5.2 模式噪声对载波噪声比的影响43 5.3 模式噪声对非线性效应的影响44 5.4 模式噪声对数字性能的影响 49 5.4.1 仿真说明 50 5.4.2 误差矢量幅度性能 52 5.4.3 误符号率和 Q因子性能 53 5.5 本章小结. 54 第六章 总结与展望 55 致 谢 57 参考文献58 攻读学位期间发表的学术论文. 61 I V 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 第 一章 绪论 1.1 引言 近几年,对微波光子链路的研究逐渐成为热点,因为随着通信技术的发展和互联网的快 速普及,用户对网络带宽的需求逐步增大,微波光子链路为解决这一问题提供了途径。微波 光子链路是将 RF 信号调制到光频率并在光纤网络中进行传播的技术,该技术充分结合了无 线技术和光纤通信的优势,具有低损耗、大带宽、抗电磁干扰、接入方便等优势。微波光子 链路可广泛应用于有线电视广播(CATV)、光载无线(RoF,Radio-over-Fiber)、相控阵雷达 等领域。 微波光子链路与现有的光纤通信系统相比有一些不同。目前的光纤通信系统使用基带传 输方式,光纤中传输的信号为基带信号。以下行链路为例,中心站将时分复用后的基带信号 调制到光频率,通过光纤传送到基站(或远端天线单元),然后进行光电转换恢复基带信号并 解复用,根据所需的不同频率进行中频混频,最后与本振混频后将无线信号发射到空中。而 微波光子链路使用射频传输方式,光纤中传输的信号为射频信号。中心站将多路基带信号进 行中频混频,再与本振混频调制到射频,得到的射频信号对光信号进行调制,通过光纤将光 载射频信号传到基站,然后进行光电转换恢复射频信号,放大后通过天线发射到空中。在微 波光子链路中,本地震荡放在中心局,复杂度提高,但基站结构得到了简化。由于基站内模 块减少,成本、功耗变低了,而且将昂贵的微波射频器件放在中心局,对连接到此中心局的 基站来说实现了共享。 基于多模光纤的微波光子链路有很多优势。短距离链路如室内分布式天线系统(DAS, Distributed Antenna Systems)能实现更好的无线覆盖,远程天线单元(RAU)与传统的基站 相比在总的发射功率上更低,对用户移动设备的功率需求也更低,间接地延 长了电池的寿命。 由于光纤的大带宽, DAS支持不同系统的多种信号传输,如图 1.1所示。事实上,对这种 DAS 链路的关键需求是低成本,因为需要很多 RAU 来实现覆盖,同时也需要配套的低成本光电子 器件、传输设备等,多模光纤。首先多模光纤纤芯粗、数值孔径大、易于安装,在进行光纤 连接时允许在横向方向有所偏差。其次是和配套元器件价格低廉,多模光纤横向错位损耗小, 可以使用价格低廉、容差较大的连接器;垂直腔表面发射激光器(VCSEL)适合与多模光纤 配套使用,而且 VCSEL 的电带宽满足目前商用移动系统频率范围内直接调制 RoF 链路的需 求。而且大多数建筑物内的预敷光纤为多模光纤,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,可实现“最后一公里”连接或建筑物内的分布式天线系统(Distributed 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 [1, 2] Antenna Systems)等 。 多模光纤微波光子链路的一个突出问题是模式噪声引起的信号恶化。模间色散是多模光 [3] 纤的重要限制因素,光纤的带宽会因为色散而降低。最近已有文献报道 ,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)的链路时,模间色散一般不构成主要限制效应,相反,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。 模式噪声是一种乘性噪声,它的出现会使信号产生寄生调幅效应,使数字光纤通信系统 的眼图张开度变小,眼图的“上眼皮”变厚,造成系统误码率增加;模拟光纤通信系统的信噪 比会因为模式噪声而下降,微波光子链路属于模拟调制光纤通信系统,模式噪声的影响表现 为载噪比的恶化和非线性效应。针对微波光子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。图 1.1 利用光纤同时传送不同通信系统的信号 1.2 国内外研究 现状 最早的 RoF 系统是在 1990 年由 cooper 实现的,利用副载波复用通过单模光纤传送了一 个四信道第二代无线电话信号,这个系统在单信道和四信道模式下分别有 70dB 和 50dB电动 态范围。此后,利用副载波复用和波分复用的光载无线网络被报道,并有不同的网络拓扑, [4,5,6] [7] 比如星型 和环型 ,使用波分复用技术是用来增加系统容量并使系统工作在全双工模式。 为增加数据速率,最近几年,工作在毫米波段的光载无线系统也成了一个热门课题。 2006 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 年,韩国世宗大学实现了中频传输-远端混频的 60GHz RoF 系统,并且减少了色散的影响。 通过 RoF技术与 WDM技术相结合, 2007年,美国乔治亚理工学院 G.K. Chang构建了 2.5Gb/s [8] 40GHz的 WDM-RoF系统 。目前与波分复用系统结合的系统最大波长复用数已达到 30波, [9] 极大地提高了 RoF系统的容量 。迄今已报道的 RoF系统最长传输距离达 125km、最高传输 [10] 速率达 12.5Gb/s、最大传输容量达 225Gb/s 。日本 NTT 公司报道了毫米波频率在 125GHz 的 RoF系统,实现了 10Gb/s数字基带信号无误码传输。 为尽快实现微波光子链路的普及,满足用户对带宽的需求,降低系统的成本是非常重要 的,近年对 RoF系统成本的降低做了很多的研究。使用多模光纤作为传输介质是一个很好的 方向。基于多模光纤的微波光子链路实现的主要限制因素是模间色散引起的带宽限制。很多 研究都致力于解决这个问题,例如,1998年,Raddatz等人提出使用偏心入射技术(OL, offset [11] launch)来作为降低模间色散的解决 ;1999 年又报道通过开发通带调制利用多载波复 [12] 用将 1.25Gbit/s的信号在多模光纤中传输了 500m以上 ;2002 年 Petar 对于将 15.6Gbit/s 信 [13] 号传输 1 公里以上的下一代多模光纤以及相应技术进行了研究 ;2006 年,Larrode 等人通 过光频率复用将 16QAM 和 64QAM 信号在 23.7GHz 和 29.7GHz 的微波载波频率下在多模光 [14] 纤中传播了 4km ;2009年,//0>.等人提出了模场匹配中心入射技术,声称实现了类似 [15] [16] 单模光纤的传输特征 。使用光正交频分复用 OFDM 来增大带宽的研究也是当前热点 , 2011年,R. P. Giddings等人使用 DFB直接调制光 OFDM将 11.25Gbit/s的信号在多模光纤中 [17] 传播了 500m 。2011 年,M. Awad 等人提出了改进的模式群分集复用技术,实现了在 -10 [18] M-MGDM3×3系统中将 2.5Gb/s信号传送了几百米,误码率控制在了 10 以内 。 [19] 为进一步降低短距离 RoF成本,直接调制模拟光链路引起了人们的注意,文献 论证了 多模光纤的通带区可以达到 20GHz以上,使用 DFB直接调制的短距离链路的 EVM控制在了 2.4%;R. P. Giddings等人使用 DFB直接调制光 OFDM将 11.25Gbit/s的信号在多模光纤中传 [17] 播了 500m 。塑料光纤 POF在 RoF中的应用也有了很多研究成果, 2011年,意大利 Davide Visani 等人使用离散多音调制 DMT 将 5.3Gbit/s 和 7.6Gbit/s 的数据 在直径为 1mm 的 POF 中 [20] 分别传送了 10m和 50m,使用的是强度调制-直接检测系统,频谱效率达到了 3.7bit/s/Hz 。 在短距离链路中,模间色散一般不构成主要限制效应,而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,针对这一问题,已有一些研究成果。早期的模式噪声 [21] 研究集中在二十世纪七十年代末到九十年代初的数字光纤通信系统中 ,包括一阶统计特性, 高阶统计特性,性能评估等,模式噪声对数字光纤系统影响评估最有用的参数是散斑对比度。 I. Gasulla 和 J. Copmany于 2004年对用于在 RoF中的多模光纤进行了建模,并得出了传递函 [22] 数 ,2008年,借鉴数字光纤通信系统中评估模式噪声的方法对 RoMMF系统进行了研究, 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 [21] 研究表明,模式噪声对中短距离的 RoMMF链路没有太大影响 。但 I. Gasulla 和 J. Copmany 的结果并没有结束学者对模式噪声的研究,2010年,意大利 Davide Visani 等人提出了不同观 点,文章重点考察了解调后射频信号的增益波动,建立了增益波动-系统参数模型,并提出了 [23] 减小模式噪声的方法 。 关于提升多模光纤传输能力的研究,在国内,北京邮电大学光纤通信和光波导重点实验 [24] 室和中兴通讯在 2005 年底才开始联合进行 。其它高校科研院所也有相关成果,2009 年, 湖南大学陈林对射频信号在塑料光纤中的传输特性进行了分析,1.5Gbit/s 的数字信号与 24GHz的射频信号混频后在塑料多模光纤中传播,50m内功率代价可忽略不计。国内对多模 光纤微波光子链路中模式噪声的分析还没有文献报道。 因为建筑内的数据通信基础设施多是以多模光纤为传输媒介,而且在中短距离链路中, 多模光纤比单模光纤具有配套设施价格低廉,安装方便等优点。在保证通信质量的前提下使 用多模光纤降低成本,简化维护费用对促进 RoF技术的商用,满足人们日益增长的带宽需求 有促进作用,因此,对多模光纤微波光子链路的限制因素?模式噪声进行研究对链路设计具 有重要的指导作用。 1.3 本文内容及框架 本文主要研究了多模光纤微波光子链路的模式噪声,通过分析信号在链路中的调制、传 播、解调,建立了模式噪声-系统性能模型,通过模型可以得出激光器频率啁啾、调制深度、 光电二极管检测面积与输出射频信号载噪比的关系。仿真分析了不同调制格式下模式噪声对 系统性能的影响,并给出了降低模式噪声,提升系统性能的方法。 第一章 绪论部分,介绍了微波光子链路的起源,多模光纤微波光子链路的优势,分析了 多模光纤微波光子链路还存在的主要问题。给出了当前多模光纤微波光子链路和模式噪声的 研究现状,强调了降低模式噪声对提升直接调制多模光纤 RoF链路性能的意义。 第二章 多模光纤中的模式噪声,首先介绍了多模光纤的导光原理、频率响应、带宽、色 散等,其次介绍了多模光纤中模式噪声的产生、影响和降低模式噪声的途径。 第三章 多模光纤微波光子链路设计,介绍多模光纤微波光子链路的性能参数及设计时需 要选择的技术,包括光源的选择,调制方式的选择,光纤的选择等。 第四章 多模光纤微波光子链路模式噪声的建模,首先给出了强度调制-直接检测多模光 纤微波光子链路的结构,通过分析信号在链路中的调制、传播、检测对模式噪声进行了理论 分析,并得出了模式噪声-系统参数模型,模式噪声与发射机啁啾、光调制深度、入射方式、 光纤长度、检测器面积等密切相关。随后分析了模式噪声与链路增益、载噪比和非线性的关 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 系。 第五章 多模光纤微波光子链路的仿真及性能分析,利用第四章的模型通过仿真来分析基 于多模光纤的微波光子链路的性能,对不同调制格式的射频信号在强度调制-直接检测微波光 子链路中的传输性能进行了仿真,得出了系统性能与调制深度和信号格式的关系。 第六章 结论与展望。5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 第 二章 多模光 纤中的模 式噪声 分 析 光纤可以分为多模光纤和单模光纤。由于多模光纤的芯径较大,在进行光纤连接时允许 在横向方向有所偏差,降低了连接器的成本,虽然带宽-距离积较单模光纤小得多,但由于使 用上的方便,在短距离链路中多模光纤是一种理想的传输介质。 使用多模光纤时,一个主要问题就是模间色散导致的带宽减小,但当考虑短距离连接时, 模间色散不会构成主要限制效应,相反,模式噪声对系统的性能有较大的不利影响。 2.1 多模光纤的传输 特性 多模光纤的纤芯比单模光纤纤芯更粗(50μm或 62.5μm),可以传送多个模式。多模光纤 的数值孔径、频率响应、带宽、色散等是衡量光纤性能的重要参数。多模光纤比单模光纤的 模间色散较大,而且随着传送距离的增加色散会更加严重,适合于短距离通信,一般几公里。 2.1.1 多模光纤导光原理 光线在多模光纤中的传输如图 2.1所示, (a)是阶跃折射率(SI)多模光纤, (b)为渐变 折射率(GI)光纤。由于光纤介质折射率的不同,纤芯折射率较大,包层折射率较小,当入 射光线发生全反射时就可以在多模光纤中传播。 (a)和(b)传播路径的不同是由于光纤的折 射率分布不同造成的。在阶跃光纤中,折射率恒定,光线在纤芯中沿直线传播, 并纤芯与包 层交界面发生发射。在渐变折射率光纤中,折射率不是恒定的,而是按照一定的规律沿半径 r方向逐步减小,由于这种折射率分布使得光线在纤芯中沿曲线传播。当折射率分布为抛物线 分布时,光线具有近似相同的光程,不同角度的入射光几乎同时到达接收端,降低了模式色 散的影响。 n 2 n 2 n 1c n 1 n 2 n 2a阶跃折射率光纤b渐变折射率光纤 图 2.1 光纤中传播的的光线 数值孔径是衡量光纤接收光线能力的参数,当光线射入光纤端面时与轴心的 夹角为 θ, 若 θ小于最大值,则满足全反射条件,可以长距离传输;若大于,则不满足全反 air , air , 射条件,光线会泄露掉。称为接受角,是光线入射到光纤形成导波的最大角度,定义为 air , 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 arcsin NA 2.1 air, 其中 NA为数值孔径 2 2 NAnn 2.2 1 2 渐变折射率光纤的数值孔径随半径是变化的,用局部数值孔径 NAr来衡量 2 2 NA ?r? n ?r? n ?a? n ?r22.3 2 2 2? 其中 ?为相对折射率差,定义为? nn 2n 。当 r0时,NA rn 0 2 ?,此时数1 2 1? 值孔径最大。 数值孔径越大越容易将光线耦合到光纤中,耦合效率就较高。塑料光纤的数 值孔径较大, 约为 0.2,单模光纤约为 0.1。 2.1.2 多模光纤的频率响应与带宽 [25] 设多模光纤的导模为 N 个,则传递函数的冲激响应可以表示为 m N m h t? tt 2.4 fiberd ,n n ?1 其中t 是第 n 个导模的传播时延,对式2.4进行傅里叶变换就可以得到导 模数为 N 的多模 m d ,n 光纤的频率响应函数 N mj2ft d , n H fe 2.5fibern ?1 t 可以通过下式确定 d ,n L nn 2 t, b 2.6 d ,n c n nn? 1 2 其中 L为光纤长度,c为光速,b为归一化传播常数。但是由于多模光纤中导模非常多,尤其 在塑料光纤中导模更多,时延的确定会非常复杂,而且时延与光纤所处的环境有关,可以将 导模时延假设服从均匀分布。t 和t 即为导模时延的均值和标准差,取t 和t 分别 d ,avg d ,dev d ,avg d ,dev 为 5ns 和 5μs,对于每个导模取三组 t ,则频率响应的对数值为 d ,n 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 频率(GHz) 图 3.2 N 50 的频率响应 m 从图中可以看出,在低频区频率响应随频率的增加而逐渐下降,在高频区有很多“窗口” 而且较为平坦。这是因为在低频区的频率响应由较大时延的导模决定,高频 区的频率响应由 较小时延的导模决定。在高频区的这些“窗口”可以作为带通区域,总带宽资源是很丰富的, 理论上有无穷大。例如中间的频率响应图,通带区域就有 0.3GHz,0.7GHz,1.2GHz,1.4GHz, 2.3GHz,2.7GHz 等,这些带宽的总和远远大于几百 MHz 的基带带宽,若能对这些“窗口” 进行利用可实现大容量传输。 频率(GHz) 图 2.3 OM2石英光纤的频率响应 图 2.3为 OM2石英光纤的频率响应实测图,长度为 4.425km,采用不同的入射方式。d0 对应为中心入射,dx为偏心入射技术(Offset Launch)。可以看出中心入射技术的频率响应 较为平坦,而偏心入射的频率响应波动较大。偏心入射技术对于抑制色散有一定的作用。 8频率响应dB 频率响应dB 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 2.1.3 多模光纤中的色散 光纤的色散包括材料色散、模间色散和波导色散。在 1310nm附近,材料色散接近于零。 在多模光纤中模间色散占主导地位,若把模间色散平衡掉,则材料色散和波导色散占主要地 位,就与单模光纤的情况相似了。 通过图 2.1 可以看出,光信号耦合到光纤以后,沿不同的路径进行传播,即激发了不同 的模式,可以简单地认为模式与入射角直接相关。这些模式有不同的传播常数和传播速度, 因而会导致光脉冲的展宽。这种脉冲展宽与材料色散不同,模间色散与光源谱宽无关,而是 由于模式间的传播速度不同引起的。如果将不同的模式理解为不同路径的光,则可以认为不 同的模式沿光纤传播走的路程不同,耗费所用的时间不同,所以产生了脉冲展宽。 多模光纤中的模式色散可以用群时延差来描述,第 p 个模式群与 p0 的主模式之间的群 [26] 时延差为N? 2? 3? 222 1? 2.7 p p 0 c? 2 2? 222? d p 单位为 s/m。其中 α为折射率分布;Nk n ,为光纤纤芯的群折射率;? ,1 0 1 dk p 01。 当 p取最大值时,?1,最高阶模与主模式的时延差为N? 2? 3? 222 1? 2.8 c? 2 2? 2对于阶跃多模光纤,有 N 1 2.9 c 对于抛物线型渐变折射率光纤,? 2,近似取? 0,则有 N 1 2 2.10 2c 对于上节提到的偏心入射技术(OL),由于其激发的模式有选择性,重点激发 特定的模 (由偏移量决定),并不是激发所有的模,所以不同模之间的时延会减小,色散 效应降低了, 但是否会产生其它问题,是否对性能提高有帮助还需进一步研究。 在多模光纤中,模式色散起着极其重要的作用,最终限制了光纤的带宽-距离 积。所以在 长距离、高性能链路中不适用多模光纤。 光纤的模式色散产生的群时延随光纤长度的增加而增加,当光纤不是特别长时,主要限 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 制因素并不是模间色散,而是模式噪声,关于模式噪声的分析将在下一节中进行。 2.1.4 石英光纤与塑料光纤的性能比较 多模光纤按照制作材料的不同可以分为石英光纤和塑料光纤。传统的石英光纤有其缺点, 那就是韧性和延展性很有限,当拉伸过大时会折断,这对于大芯径的多模石英光纤更是如此。 而且石英光纤的弯曲半径也有限,这些缺点使得石英多模光纤在超短距离内(如百米内)不 太方便。另一种多模光纤即塑料光纤,塑料光纤的芯径较之石英多模光纤更粗,一般为 120μm 到 1000μm。塑料光纤由于其材料特性而具有良好的延展性和韧性,弯曲半径也较石英光纤更 小。大芯径使得横向错位损耗很小,但意味着更多导模。塑料光纤适用于百米内的的链路。 塑料光纤与多模石英光纤相比的优点为:a芯径更大。这一优点使得光线耦合更方便, 而且即使在光纤某端有少量损坏的情况下仍可正常使用。b生产成本低。塑料光纤比石英光 纤价格低廉。c端接成本低。塑料光纤的芯径比石英光纤大,接头错位损耗小,可以使用价 格低廉的接头。石英光纤的接头需要数十美元,而塑料光纤的接头只有几美分。而且可以使 用简单的注塑成型的热塑性塑料的 POF连接器,耦合效率较高。d韧性和延展性好。适用于 弯曲扭曲较多的场合。e可使用可见光源。塑料光纤在可见光区有低损耗窗口,在低速率场 合可用 LED,在高速率场合可用 CD机或 DVD机的光源。 多模光纤与塑料光纤的性能比较如下表所示: 表 2-1 塑料光纤与石英光纤性能价格比较 光纤参数 塑料光纤POF OM3 石英光纤 650 850/1310 工作波长nm 980 62.5 芯径μm 1000 125 包层μm 0.70~1.50 0.85~1.30 光纤成本$/m 0.25~5.00 5.00~25.00 连接器成本$ 1.60 3.70 连接器安装$ 10 500 1km模式带宽MHz 65 几乎无限 100m模式带宽MHz 与石英光纤相比,塑料光纤也有一些缺点,主要包括:a耐热性能较差。石英光纤的工 作环境温度为-40~80?,低于-40 ?时光纤会变硬,韧性和延展性变差;温度过高时会发生氧 化降解使损耗增大。b带宽相对较小。塑料光纤更适合超短距离百米内通信。c由于在近 红外区有 OH 吸收效应,只能工作在可见光区。在较低速率、短距离场合,塑料光纤的相对 高损耗、低带宽的缺点不构成限制因素。近几年,对基于塑料光纤的 RoF技术有了很多成果, 多模塑料光纤的应用领域和范围也会随着光纤性能的改善而逐渐增加。 10 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 2.2 模式噪声的产生 和影响 由于模式噪声会使多模光纤传输链路的性能降级,针对它的统计特性有很多研究,例如, 一阶统计特性主要由 Daino 等在[27]和 Rawson 在[28]中进行了研究;而二阶统计特性统计特 性,尤其是在光纤出射面的模式噪声的时间和空间频率相关函数主要由 Rawson 在[29,30,31] [32] 中讨论。数字链路中信噪比和误比特率性能降级的表达式已被导出,包括频率波动的影响 。 评估模式噪声对数字链路性能影响最有用的参数是光斑对比度,定义为分布在多模光纤末端 [33] 光强的归一化变化 。 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。 2.2.1 散斑图样 模式噪声与多模光纤链路中激光器的使用有关,为了理解模式噪声的产生,我们需要对 散斑图样进行讨论。当相干光源,如激光器的光功率射入多模光纤时,会激发多个模式,不 同模式的传播速度有轻微的不同,在光纤的远端就会产生相位差,末端端面上就会因为不同 模式的干涉而相长或相消,从而产生散斑图样。由于散斑图样是由于模式之间不同相产生的, 因此散斑图样与多模光纤中传播模的数量有关。现在考虑最简单的情况:光纤中只有两个模 传播,传播速度不同。这两个模在光纤不同截面的干涉如图 2.4 所示,直线表示每个传播模 的波峰。 图 2.4 两个模式在不同截面处的干涉 从上图可以看出,这两个模式在光纤不同截面的干涉图样是不同的。在截面 X 处,有三 1 个波峰点相加,如果光纤末端选在此处,则有三个增强强度点;然而在截面 X 处,只有两个 2 增强波峰。因此,X 和 X 之间的存在散斑图样差。 1 2 图 2.4 给出了多模光纤中最简单的情形。如果有很多模在光纤中传播,干涉图样的重叠 会更复杂,但原理与图 2.4相同,实际情况如图 2.5所示。散斑图样并不是静止的,如果两个 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 模式间的相位差改变,干涉图样或散斑图样也会随着改变。光纤的振动、温度变化和激光器 频移都可能引起相位差的改变。 图 2.5 多模光纤中的散斑图样 当机械原因使得光纤折射率改变,模式之间的时延就会随之改变,散斑图样就会不同。 光源的频谱波动,包括激光器谱线的频率移动和谱线的幅度波动,多模光纤内的模间时延就 会改变,因此,因此不同模式之间的相位差会引起散斑图样的改变。 只有上述的两个原因还不能产生模式噪声,还需要另一个因素?模式选择性损耗。 2.2.2 模式选择性损耗 为了继续对模式噪声的讨论,我们引入一个新的概念:模式选择性损耗。模式选择性损 耗是在多模光纤中由不同传播模的非均匀功率降低引起的损耗。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,图 2.6 给出了两种最普遍的光纤接头失配。从图 上可以很容易地看出,在这些接头处,有些模被完全损耗掉了。如果光纤振动或者激光器频 率随机或突然改变,散斑图样也会随机或突然改变。由于光电检测器的性能仅仅取决于检测 区域的全部光功率,散斑的随时间波动就会导致检测光功率的波动,这就是模式噪声。 输入 光纤 1 光纤 2 输出 a横向失配 输入 光纤 1 光纤 2 输出 b纵向失配 图 2.6 连接器的失配(未对准) 12 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 2.2.3 模式噪声产生的条件及影响 由上述分析可以得出多模光纤系统产生模式噪声的条件是: (1)相干光源。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,彼 此间有确定的相位差,于是它们进行矢量叠加,相互干涉,结果在光纤端面产 生散斑,如图 2.5 所示;若模式 m 和模式 n 之间的时延差大于相干时间,则彼此不相干,功率进行相加, 不产生干涉,在光纤横截面上不产生光斑。如果只有一部分模式间的群时延差小于相干时间, 则这一部分彼此相关,其余模式间不相关。光源线宽越窄,色散越小,则相干性越强,散斑 越明显;传输模式越多,光斑越不明显。 (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,接头的横向或纵向错位导致的 滤除效应如图 2.6 所示。如果光纤中所有传播模的光都通过光纤及连接器,那么不会产生模 式噪声。 (3)光纤的微弱振动或光源的频率漂移。光纤的振动或微弯会使光纤得到应力,内部横 截面的折射率产生变化,各模式的速度产生变化,各模式的相位差变化,相干性发生变化, 光斑分布也随之变化。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。激光器 的频率漂移是不可避免的,微小的偏移会使模式间产生很大的相位差变化, 从而影响散斑分 布的变化,通过模式选择性损耗元件就会产生功率变化,成为噪声。 总起来说就是由于光源的相干性强,模间色散小(群时延差小),各模式间产生干涉,在 光纤横截面产生散斑图样;由于接头(或光电检测器)不完善,只有部分散斑通过接头;由 于光纤的振动或频率漂移,通过不完善接头的功率随时间变化,形成寄生调幅,成为噪声。 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 眼图张开度变小,“上眼皮”变厚,如图 2.7所示,造成系统误码率增加;模拟光纤通信系统会 因为模式噪声而使得信噪比下降,RoF 链路属于模拟调制光纤通信系统,模式噪声影响表现 为载噪比的恶化和非线性失真。 图 2.7 存在模式噪声的眼图 13 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多模光纤中的模式噪声分析 模式噪声的分析应该包括:不同发射特征(如不同的发射频率、啁啾、调制深度等)、不 同的模式选择性损耗(例如不同的接头或光电检测器)对模式噪声的影响;模式噪声对增益、 信噪比、非线性的影响;模式噪声对不同的数字调制格式(如 QPSK、QAM等) 系统误码率 的关系等。 2.2.4 降低模式噪声的途径 由模式噪声的产生条件可以推出减小模式噪声的途径: (1)使用相干性较弱的光源或线宽较宽的光源。 (2)淡化散斑图样。可以通过在多模光纤中引入很多模来实现。每一对模式的干涉都会 产生一个散斑图样,若多个散斑叠加在一起,散斑图样会因为干涉效应的平均化而淡化,因 此降低了模式噪声。多模光纤中模式的数量可以由下式给出: 2 2 2 Qn k a 1 0? 2 其中 α 是折射率分布函数, k 是自由空间的波数,a 是纤芯直径, n 是纤芯折射率,Δ 是相 0 1 对折射率差。 通过上式可以看出,有两种增加模式数量的方法。一种方法是使用短波长的光源,这样 可以得到更大的 k 。另一种方法是使用大半径的多模光纤,增加了 a的值。 0 (3)最小化模式损耗。使用质量好的光纤接头和使用较大检测面积的光电检 测器。 (4)使用频率稳定性好的光源。稳定性好的光源可以减小散斑的波动,从而减小模式噪 声。 在 RoF 链路中,若使用相干性较弱的 LED 光源,可以有效降低模式噪声,但是调制带 宽只有几百 MHz,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 1μm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。 多模光纤由于其耦合方便,成本低,安装方便等优点在短距离链路中不断显示出自己的 优点,在短距离链路中带宽劣势可以忽略。 2.3 本章小结 多模光纤由于其耦合方便,成本低,安装方便等优点在短距离链路中不断显示出自己的 优点,在短距离链路中带宽劣势可以忽略。多模光纤中的模式噪声