梁会娟江凤婷张 静戴泽璟崇毓华

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所收发技术研究部，安徽 合肥 230088；2.安徽省天线与微波工程实验室，安徽 合肥 230088）

0 引言

射频光传输是指将射频信号调制到光载波上，利用光纤低损耗、大带宽的优点进行远距离传输。目前，应用于国防军事领域的射频光传输技术有天线拉远技术、本征传输技术等［1-2］。在射频光传输过程中，为了保证传输信号的温度场一致，或部分要过滑环的系统（有转台的系统），将多路光波复用到1根光纤中传输时通常会用到波分复用技术。

光波分复用是指将多种不同波长的光载波信号在发送端经光复用器耦合后，在同一根光纤中进行传输的技术。由于不同路的光在同一根光纤中传输时，光与光纤之间会出现相互作用（光对光纤折射率的微小调制作用），受到调制的光纤又会对光纤中传输的所有光信号进行调制。目前，国内外均有关于长距离射频光传输串扰的形成机制与理论分析的研究［3-5］。本研究结合具体的试验数据，依照原有理论进行仿真计算，试验结果与理论能较好地符合。该研究对多波长长距离射频光传输的传输波长与射频通道的匹配具有重要意义。

1 试验方案与装置

图1是常用的波分复用射频光传输链路。本研究采用3通道的波分复用系统，任意选用ITU波长中的3个波长。为了使链路更具代表性，其中既有间隔较近的两个波长，也有间隔较远的两个波长。在该试验中选用C20、C24、C44激光器，其波长分别为1 561.4 nm、1 558.2 nm、1 542.14 nm。3路光信号经波分复用器复用到1根光纤中进行传输。在进入长光纤前增加可调光衰减器，用来控制进入长光纤的光强度。3路光信号在经过同一根长光纤传输的光信号后会经过解波分复用器，解波分复用器将不同波长的光分开，3路光信号分别进入到3个光电探测器，并输出3路射频信号。

图1 波分复用试验链路

通过矢量网络分析仪（矢网）可测出通道间的相互串扰。首先，将矢网调为S21测试模式，矢网的1通道连接链路2的射频输入，矢网的2通道连接到链路2的光电探测器的输出端，此时将矢网归一化。然后，矢网的1通道继续连接链路2的射频输入，将矢网的2通道连接链路1的光电探测器的输出端。此时，矢网的S21读数便是链路2对链路1的串扰。用同样的方法可测出链路3对链路1的串扰。3个通道间都存在串扰。经过反复测试，发现串扰主要与激光器的波长间隔、进长光纤的光功率和长光纤长度这3个因素有关。为了使研究更具典型性，本研究对链路2对链路1的串扰和链路3对链路1的串扰进行研究。链路2使用C24激光器，其与链路1（C20的光波长）间隔为3.2 nm，在后面测试数据分析中，“间隔3.2 nm”代表链路2对链路1的串扰。链路3使用C44激光器，其与链路1（C20的光波长）间隔为19.2 nm，在后面测试数据分析中，“间隔19.2 nm”代表链路2对链路1的串扰。通过调节可调光衰减器来控制进长光纤的光功率，为了不超出光纤的布里渊阈值，选取两种入光功率，即3个通道的总入光功率为4.3 dBm和3个通道的总入光功率为10 dBm分别进行测试。可测出不同光功率下串扰值的变化。长光纤分为5 km的普通单模光纤和11 km的普通单模光纤，通过试验可测试光纤长度的变化对串扰的影响。不同进光功率以及不同光纤长度情况下，链路2对链路1的串扰以及链路3对链路1的串扰见图2。

对图2进行分析后发现，在低频段（约200 MHz以下），链路3对链路1的串扰值比链路2对链路1的串扰值略高，即在低频段中，波长间隔大的通道间的串扰比间隔小的通道间的串扰大。在高频段（约1 GHz以上），链路2对链路1的串扰值比链路3对链路1的串扰值高，这说明在高频段波长间隔越近，串扰就越大。对图2（a）和图2（b），以及图2（c）和图2（d）分别进行对比，发现光纤越长，串扰越大；对图2（a）和图2（c），以及图2（b）和图2（d）分别进行对比，发现入光纤的光功率越大，串扰就越大。这里选用的波分复用器的通道间的光隔离度为45 dB，由此可计算出由光波分复用器引起的射频串扰在-90 dB以下。图2中测出的数据基本都在-90 dB以上，这说明在该链路中，由波分复用器分光不彻底导致的串扰不是主要因素。

图2 进光纤功率不同以及光纤长度不同的情况下的串扰测试

2 理论分析

有研究表明，拉曼散射（SRS）即光纤中光学声子与光子间的作用会以信道间串扰的形式对多信道链路造成影响。为描述SRS对多信道链路中RF信号串扰的影响，要求解出光纤中描述不同波长光信号传输的耦合差分方程。假设一个具有两信道的系统［2］，通过对光信号传输的耦合差分方程进行求解，由SRS所造成的串扰的幅度（XtalkSRS）和RF相位（θSRS），见式（1）、式（2）［2］。

以上式中：I为光信号强度；v为群速度；α为光纤损耗；gR为拉曼增益系数［3］；λ1为未经调制的CW信号；λ2为一个被RF信号调制的信号；ρSRS为偏振重叠系数，当两路光信号的偏振态相同时，ρSRS=1。当两路光信号的偏振态正交时，ρSRS=0；P2为光纤输入端调制信道的平均光功率；Ω为驱动信号的角频率。假设α1=α2=α，d12为信号的走离系数，可用走离系数来描述光纤的色散（CD）效应，见式（3）。

本研究根据上述公式进行仿真计算。当λ2分别为1 558.2 nm和1 542.14 nm、λ1为1 561.4 nm时，从λ2到λ1由SRS引起的串扰仿真图见图3。在计算时采用以下参考值：ρSRS=1、α=0.2 dB/km、Aeff=85 μm2、D=16.5 ps/nm/km，P2选用4.3 dBm，L选用5 km和11 km两种值。从图3的仿真结果可以看出，由SRS引起的串扰主要分布在200 MHz以下的频段，且随着传输射频频率的增大，由SRS引起的串扰在迅速减小，且光波长的间隔越远，相互间的串扰就越大。这与图2的测试结果（光波长的间隔越远在低频段串扰就越大）是符合的。由仿真结果可知，随着入光功率的增大，由SRS引起的串扰也随之增大；随着入射光纤的增长，由SRS引起的串扰也越大。但在高频段由SRS引起的串扰会随频率的增加而迅速降低。

图3 进光纤功率不同情况下由SRS引起的串扰仿真

如果只考虑SRS引起的串扰，就跟图2对应的实际测试结果有较大的出入，特别是高频段的测试数据差距非常大。有研究表明，多路强度调制的光信号在同一根光纤中传输时，会存在相互相位调制现象，也即交叉相位调制（XPM）［3］。在一条包含两信道的强度调制链路中，由XPM所引起的串扰计算过程会用到SRS计算中的参数［4］。XPM所导致串扰的幅度和相位的计算公式见式（4）、式（5）［5-6］。

式中：ρXPM为XPM过程的偏振重叠系数。

图4给出了λ2为1 558.2 nm和1 542.14 nm、λ1为1 561.4 nm时，从λ2到λ1由XPS引起的串扰。在计算中采用如下参考值：ρSRS=1，α=0.2 dB/km，Aeff=85 μm2，D=16.5 ps/nm/km，n2=2.6×10-20 m2/W，P2为4.3 dBm和10 dBm，L为5 km和11 km。

由图4可知，随着光纤的增长和入光功率的增大，串扰也随之增大。与SRS引起的串扰不同的是，由XPM引起的串扰不会随着频率的增大而减小，反而会增大。

图4 进光纤功率不同以及光纤长度不同的情况下由XPM引起的串扰仿真

10 dBm入光总功率11 km光纤链路的串扰测试结果和仿真结果见图5。由图5可以看出，理论值和测试值基本符合。略微的偏差是因光纤的参数选取跟实际存在一定偏差造成的。两波长光的偏振重叠系数都取1进行仿真，实际中用的是非保偏光纤，偏振重叠系数应小于1，这也造成计算结果比实际测量值略微偏大。

图5 10 dBm入光功率+11 km光纤情况下串扰的计算结果与测试结果比较

3 结语

综上所述，本研究利用光传输的耦合差分方程计算出基于波分复用体制的射频光传输过程中通道间的串扰。对串扰形成的两种机制（SRS、XPM）分别进行仿真计算。仿真结果与实际测试结果有着较好符合，低频段以SRS引起的串扰为主，高频段以XPM引起的串扰为主。由SRS引起的串扰，光波长的间隔越大，串扰就越大，由XPM引起的串扰光波长的间隔越小，串扰就越小。因此，在基于波分复用的射频光传输系统中，若传输的是1 GHz以下的信号，应尽可能选择波长间隔近的光波长；若传输的是2 GHz以上的信号，应尽可能选择波长间隔远的光波长。该试验与计算仿真结果可指导实际的波分复用体制的光传输射频通道的分配。