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FP_DFB_激光器
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FP激光器和DFB激光器
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FP激光器和DFB激光器
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FP激光器和DFB激光器
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在CATV的反向通道中应用FP和DFB两种激光器的工作性能
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上海实业ＳＴＲ国际有限公司上海分公司　教授级高工　陈绍楚
　　【摘要】本文介绍FP和DFB两种激光器的三个主要性能以及他们在CATV反向通道发射机中的应用。
　　激光发射机中常用的激光器有两种，即法布里―珀罗（Fabry-Perot）和分布反馈（Distributed Feedback）型激光器。他们主要性能有三个方面：斜坡效率（η）、激光器噪声和激光器的噪声效应。激光器噪声源包括相对噪声强度（relative
intensity noise RIN）和模式分配噪声（mode partition noise）。噪声效应则包括模式分配效应（mode partitioning
effect）和杂散噪声（spurious noise）。下面将分别讨论激光器的三种性能以及他们在光发射机中产生的影响。
　　一、 斜坡效率
　　图1表示激光器的转换特性。它表示激光器电流与光输出功率之间的关系曲线。图中Ith是激光器的阈值电流，大于Ith区域内，激光器发射的光称为相干光（coherent
light）。IB是激光器的工作偏流，它规定了激光器的输出功率。Ith到IB的电流差值，称为调制电流（Imod）。调制电流的概念是从数字化信号产生的。在开关型调制中，逻辑“0”值是，激光器的偏流被置于其阈值电流附近，而逻辑“1”则偏流置于较高的电流值。逻辑“1”时的激光器电流值也就是调制电流。斜坡效率η的定义是：在给定的调制电流时能够输出光功率的值，它的单位是mW/mA。举例来说，激光器的阈值电流是10mA，偏流是20mA，给出的光功率是0.5mW，则斜坡效率η=0.05mW/mA。因此，斜坡效应也就是图1中直线部分的斜率。
　　光调制指数（OMI）是表示RF信号在光载波上的调制深度。在调幅发射机中，RF电流是叠加在激光器的偏流上的。输出光信号按输入信号的电流比例进行调制。图2中Icomp是直流偏流和输入RF信号电流之和。光调制指数是指输入RF电流的峰值和调制电流Imod的比值。即：
光调制指数以百分比表示。式中RF电流峰值IRF peak=√2 IRF。若RF电压以dBmV(=E)表示，传输电缆的阻抗为75欧姆，并与负载相匹配，则IRF的表示式为：如考虑到激光器的匹配因数为k，则峰值高频电流为：Imod以光功率（Popt）和斜坡效率表示设RF信号中某个频道的光调制指数为m，则
　　从（5）式知调制指数与斜坡效率和RF电平成正比例。
　　考虑到RF信号中有N个频道的载波时，则N个载波的复合光调制指数以μ来表示。
　　这是一个高斯的近似公式（Gaussian approximation），适用这个公式的条件是N比10大一些，而各载波的幅度基本相等，然后可应用“中间限制理论”（Central
Limit theorem）来得到这近似的结果。如果频道数较少，复合光调制指数有可能在峰值电压相加的基础上变得很大，这就会出现最糟糕的情况。
　　当RF电流太大时，其负极性幅度低于Ith时使激光器截止，如图3所示。此时输出出现限幅（clipping），在光信号中引入噪声、谐波以及其他非线性效应而导致的激光信号。当单个频道的光调制指数m大于1/N时，即使复合光调制指数μ小于100%时，限幅现象仍会发生。实验证明，在单边带调幅系统中，μ超过28%时，限幅引起的失真将增大（-60dBc）。在数字化信号的调制系统中，对非线性失真较不敏感，则光调制指数μ可以用得大一点。但在μ=50%时，限幅失真也将十分严重。表1列出光调制指数μ和载波的非线性失真（CNLD）之间的关系。非线性失真中包括限幅引起的噪声。
　　把（5）式重新排列，可得到RF电平E的表达式如下：
　　当激光器的η及匹配系数k为已知，就可求得在100%光调制指数时的RF电平E。在电路设计时，E是一个重要的参考值。在光调制指数为100%时的RF电平E也可用测量的方法求得。把一个单音频加到激光器，然后增加其电平，当二次谐波出现后，其增加的幅度开始不与输入电平成比例时，此时即是100%的光调制指数。但对法布里―珀罗激光管而言，此法可能不正确，因为二次谐波是由于激光管的多模而引起的。
　　如果参数k和η为已知，光调制指数还可通过接收机的“响应度”（responsivity）来计算。响应度R的定义是输出负载为75欧姆时的信号电流除以已调制的接收光功率，即：
　　从（8）式中可求得单频道时的光调制指数m，即：式中Popt的单位应是mW。
　　二、 激光器噪声
　　除了因过调制而产生的噪声以外，激光器本身也存在内在噪声源。相对噪声强度（RIN）就是衡量激光器本身产生的噪声。RIN对载噪比产生的影响是可以求得的。设iRIN是激光管的RIN所引起的，则
　　式中IDC就是激光管的直流电流。单个频道的载波功率为：
　　则由RIN在一定带宽范围内得出的信噪比为：
　　其中BW是被测频道噪声的带宽。RIN的单位应是dB/Hz，因此上式写成dB的型式应是：
CNRRINdB=20logm-10log(2BW?RIN) (13)
　　分布反馈型（DFB）激光器相对强度噪声（RIN）之值一般都优于-150dB/Hz。法布里―珀罗（Fabry-Perot）激光器RIN的值为-125dB/Hz，有时可达-140dB/Hz。
　　除了内部原因之外，激光器腔体内由于光反射而产生的光子发射，其幅度是不规则的，这在接收机输出端所显示的是白噪声。这个噪声的频率和幅度取决于反射光的份量。在分布反馈型激光器中，由于光的反射而使RIN变坏特别敏感。在光纤中，即使由于瑞利散射返回（Rayleigh
back-scatter）的微弱信号，也将使相对强度噪声（RIN）之值增大。光隔离器可抑制这个现象。另外，所有光接插件的回波损耗，必需优于-45dB。
　　在法布里―珀罗激光管的光路系统中还存在一种噪声源，那就是模式分配噪声（mode partition noise）。这个噪声源出于法布里―珀罗激光管腔体的多模特性。图4表示典型的多模法布里―珀罗频谱。
　　模式分配噪声表现为一种低频率的噪声，它主要是存在于激光器腔体中的旁模（side mode）所产生的。噪声的频率正好包含在电缆电视反向通道的整个频段之中。噪声电平则决定于各旁模的相对幅度。当其中二个旁模的幅度基本相等时，模式分配噪声的影响最大。当输出的光功率增大时，激光器处于饱和状态，则较少的载波会产生旁模，从而降低了模式分配噪声。
　　模式分配噪声形成激光器的相对强度噪声（RIN）。如果分布反馈型激光器不能对旁模有超过30dB的抑制作用，结果也会产生模式分配噪声。法布里―珀罗激光器的RIN较分布反馈型激光器差15到25dB，这是由于模式分配噪声所起的作用。
　　温度的上升使法布里―珀罗激光管增加噪声输出是由于模式跳跃（mode hopping）的作用所引起的。由于温度的变化引起了激光器中心波长的变化，从而改变了中心波长的模式。当新、老中心波长比较接近时，有一段时间产生重叠。在这个过渡点的时间内模式分配噪声就比较大。在调制的过程中，由于更多的能量转入旁模，从而导致模式跳跃的产生。这个效应产生的噪声频率较高，常处于电缆电视反向通道频段之上。由于温度变化和调制过程这二个因素会造成模式跳跃，从而改变激光器的基本噪声电平。
　　三、 由激光器引起的系统噪声
　　上面所提到的三种噪声源对于基本噪声电平具有不同程度的影响，因限幅而产生谐波，使失真度增加。因限幅而限制了载波的峰值，使激光器有一部分时间工作在阈值以下而损失了能量，也就降低了信噪比。另外，限幅使数字化信号的误码率（BER）变差。在保证BER不受影响的条件下，激光器可以工作在限幅区。因限幅而造成对误码率的影响主要取决于调制方式和频道的载波数量。如果载波数量少，激光器虽然工作在限幅区，但所产生的谐波较少。激光器在重负载的情况下，只允许有小量的限幅。限幅对DFB和Fabry-Perot两种激光器的影响是同样的。下一节再详述实际后果。
　　当模式分配噪声与光纤互相作用时会产生一种模式色散噪声（mode dispersion noise即MDN）。色度色散（也称为波长色散）是单模光纤一个重要特点。色散产生的各种波长偏离了零色散时1312nm波长，并以不同的速度在光纤中传播。法布里―珀罗激光器产生不同波长的多模也带有不同的速度传播于光纤之中。在接收机中由于这些模的相互作用而增加了噪声电平。估计MDN造成的影响和RIN差不多，表示式如下：
　　MDN=-145+20log（D?L/30）dB/Hz ……（14）
　　式中D是距离零色散时的波长偏移，L是光纤长度（单位为公里）。“-145”中包含了光调制指数（OMI），热噪声和激光器的相对强度噪声（RIN）。MDN作为因素之一。其中D×L的乘积必需大于30。假设D＝10nm，L=20km。则在电缆电视的反向传输通道中对载噪比（CNR）的影响将会是2到3dB。大多数法布里―珀罗激光器在25℃时D＜10nm，所以与杂散噪声相比，MDN的影响并不太大。如温度变化从-40℃到85℃，激光器中心波长的变化将是±20nm。但MDN所造成的影响将仍很低。光纤愈长，激光器的中心波长偏离零色散点更多，因此MDN就取决于光纤的长度。
　　调制度也会影响MDN。对高频率来说（＞1GHz），MDN的影响范围是从200到1600MHz，这说明调制信号将使MDN的影响达到最高的频段。在一个20km的中继距离内，MDN将会使基础噪声增加15dB。但在电缆电视的反向通道中的60MHz范围内，即使m=50%时，所增加的基础噪声电平也不大于2dB。到200MHz时，20km光纤由MDN造成的影响小于4dB。总之，由于光纤的长度和激光器波长的变化，调制度的MDN将有所影响。
　　激光器的RIN，特别是法布里―珀罗激光器的MDN是造成系统噪声的因素。对分布反馈型激光器来说，RIN影响了系统载噪比。对法布里―珀罗激光器的载噪比有影响的因素包括各载波产生RIN的和，这是由模式分配噪声，模式跳跃以及中继光纤中的MDN所引起的。从公式（14）中可看到，在短距离中继时，RIN将产生影响，而在长距离光纤传输时，中心波长偏离零色散的标准波长若干毫微米（nm）而产生MDN，并影响系统载噪比。在电缆电视的反向通道传输中，MDN的影响并不严重，但也没有解决实际问题的可行方案。
　　杂散噪声也属于系统噪声，但可以有解决的办法。杂散噪声有时表现为无规则的脉冲干扰。看起来是狭带脉冲，但其分量是宽带的。这是外接腔体中光的瑞利散射所引入的。外接腔体减小了激光器的“谱线宽度”（line
width）并改变了中心频率。当外接腔体的狭带谱线宽度光到达接收机时，与原始的谱线宽度和中心频率的瑞利散射返回光相差拍而产生噪声。这些差拍噪声的持续期短，在频谱分析仪上显示出来的就成为狭带脉冲。外接腔体造成的最大的不稳定性就是引出一群差拍杂波。差拍的幅度取决于二倍的瑞利散射的返回光量。杂散差拍所含的频率位置是原始中心频率，谱线宽度和外接腔体的中心频率以及狭带谱线宽度之间的频率差。图5表示带有未经调制的激光器的接收机输出。图中一条较高的直线是仪器工作1分钟后出现的最大保持线（max.
　　抑制杂散噪声最有效的办法是对激光器加接隔离器，以阻止返回的散射光子冲击激光器。光学衰减器是一种不理想的隔离器，可以减少杂散噪声，但不能完全消除。付出的代价是减小了输出的光功率。一个5dB的激光器尾纤（pig
tail）用作衰减器，可改进杂散噪声约10dB。激光器经调制后，增加了谱线宽度从而降低中心模峰值的强度和差拍幅度，因此也能改善杂散噪声。但这并非对所有激光器都行得通，因为依靠所需RF电平来抑制杂散差拍有时会造成对激光器的过度调制。图6表示带有同样激光器，并已经过调制，其单频道的光调制指数为m=13%。可注意的是杂散噪声已基本上被抑止了。最大保持线的基础噪声上升约6dB是来自频谱分析仪在最大保持模式时视频带宽的积累。如果差拍噪声很靠近基础噪声电平，则就很可能对数字化载频有所冲击。杂散噪声将影响视频信号，在差拍噪声高于基础噪声很多时，图象的行信号将产生闪烁现象。NTSC信号对杂散信号和杂散噪声的要求是它们必需比载波幅变低57dB。由于数据和杂散差拍信号二者都具有累积的特性，对数字化载波电平的测量也较困难。
　　限幅，MDN以及杂散噪声都是中继通道中的噪声，对电缆电视的反向通道来说，会影响到传输的信息容量。限幅对数字信号的误码率也有影响，但有多少破坏性的影响则决定于频道的数量和调制的模式。MDN只对法布里―珀罗激光器造成问题，且很难预先计算和消除，设计时可从最坏的条件来考虑它的影响。杂散噪声的幅度可以用光学隔离器来减小它，加上调制度后，杂散噪声的幅度也会降低。分布反馈型激光器需用光学隔离器，对系统成本有所增加。
　　四、 动态范围
　　所有这些噪声源造成的后果是减小激光器的动态范围。这意味着限制了RF输入电平或OMI以支持误码率在允许范围之内。因此激光器的动态范围是误码率（BER）允许的动态范围。经隔离后的分布反馈型（DFB）激光器的优点是杂散噪声降至最小，且无模式分配噪声，但法布里―珀罗（Fabry-Perot）激光管的模式分配噪声一般情况下也是被允许的。除了激光器的型式和杂散噪声的抑制程度外，数据的型式也会影响BER。但数据率对BER的动态范围影响并不太大。
　　在反向通道的光中继系统中，数据型式所包含的很多因素与动态范围有关。数据型式包括调制方式，如QPSK方式的调制还含有复用和多重接入的方法。跟随着QPSK的被调载波，会形成各种数据型式。其他的调制型式对动态范围的要求是与所要求的信号噪声比（Eb/No）成正比的。高速数据率有时会丢掉一些bit，这是由于脉冲和杂散噪声限幅所引起的。接入方法的不同也会引起不同的效果。如多种信号接入的时分复用接入法（TDMA）把多组数据信息组成“帧”（Frame）或打成“包”（packet）。帧或包是一组信息，其内容包括净负载（payload）和开销信息（header），还有网络控制所需的附加信息。这些信息都是以比特（bit）为型式的。限幅和噪声峰值的提高会影响数据流，从而丢失一些bit。如果丢失的是帧或控制信息，则整个的帧数据流也会丢失。连续型式的数据流，如单频道的数据接入则不会发生这类问题。因为连续数据流中没有成帧的信息，噪声引起的后果只是丢失个别的bit。同样的数据率和同样的调制型式，非成帧数据和成帧数据相比较动态范围要小10dB。在高斯噪声（Gaussian
noise）的环境中，对不同数据型式的性能是可以预测的。这主要是根据对信噪比的要求和所处系统的限幅和杂散噪声的情况来考虑。噪声源的脉冲性质对高速数据和成帧数据的影响比连续数据更大一些。
　　举例来说，对法布里―珀罗激光器，21个成帧频道要保持10-6误码率（BER），RF电平和100%光调制指数（OMI）时相比可以低-15到-20dB。激光器加光衰减器和增加偏流使光输出功率与前相同
， 则RF电平和100%OMI时相比可低-27到-35dB。同样情况对连续波而言动态范围可低至-45dB。如再加光衰减器则动态范围可更低到-50dB。对分布反馈型激光器来说也有同样的情况。表2列出各种不同情况时，同样的误码率（10-6），所要求的RF电平与100%OMI时相比的dB数。要说明的是，表中的100%OMI是指单频道时的情况，在21个频道时，每个单频道的OMI为22%。
　　当RF信号过大，激光器产生限幅时，有时还会使峰值电流超过调制电流，也就是说使OMI大于100%。光调制指数超过100%时，对误码率和动态范围的影响则视数据信号的特点而定。如前所述，成帧信号对限幅噪声较为敏感。在多通道时，RF信号比100%OMI时超过1~2dB时，将会产生干扰。而对连续波而言，RF信号比100%OMI时超过5~8dB才会有干扰。超过6db意味着OMI为200%。如果RF信号只包含1或2个通道时，限幅将不产生问题。甚至超越达25dB时还未见有严重的问题。表3指出不同的频道数和不同的数据型式，在保证误码率为10-6时，允许超过100%OMI时的RF电平值。要说明的是，表中100%OMI是指单频道时的情况，在21个频道时，每个单频道的OMI，即m为22%。
　　由于限幅噪声而引起动态范围的扩大是有一个上限的。这个上限决定于调制型式和频道的载波数。
　　限幅，模式分配噪声和杂散噪声对反向通道的发射机造成影响，这是因为发射机限制RF信号的动态范围。所以要正确设置激光器的RF输入电平以避免过渡的限幅。RF电平的正确设置值可以由特定的软件程序来决定。
　　模式分配噪声对两种激光器造成的问题更大，相对来说激光器的RIN小了，改变了噪声的成分。光纤长度，调制深度和温度，决定模式分配噪声造成影响的程度。在分布反馈型激光器中应用昂贵的光隔离器可避免杂散噪声。而在法布里――珀罗激光器中采用光衰减器以降低杂散噪声。在中等负载情况下，加衰减器的法布里―罗珀激光器与隔离的分布反馈式激光器相比，前者要求动态范围降低了约10dB。