东南大学学报 第 29 卷第 4 期 1999 年 7 月 JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY Vol 29 No 4 July 1999 光纤 CATV 系统中 DFB 激光器的非线性失真及补偿 王辉陈德华杨祥林 ( 南京邮电学院光纤通信研究所, 南京 210003) 摘 要 从分布式反馈激光器 (DFB LD) 的速率方程出发, 分析了激光器固有的非线 性特性, 说明了在光纤 CATV 系统中其对系统指标的影响以及改善指标的途径. 设计 了预失真电路, 该电路对由激光器所产生的二阶和三阶失真具有良好的补偿作用. 它 主要适用于直接调制型光源的场合. 关键词 光纤 CATV;DBF 激光器 ; 谐波失真 ; 预失真 分类号 TN929.1 光纤 CATV 较之电缆 CATV 而言, 具有容量大 图像质量高和传输距离远的特点, 并且可以实现视频点播 常规电话业务及作为综合业务数字网 [1], 故新建或改建的大中型 CATV 网一般都采用光纤作主干线. 虽然目前对电视信号的模拟? 数字混合传输的研究日益增多 [2~4], 但由于成本因素, 在可见的未来一段时间内, 光纤 CATV 的模拟传输仍占主导地位, 对它的研究方兴未艾 [5,6]. 目前,CATV 传输信号主要采用 AM VSB 调制方式, 它对光发射机的线性和噪声要求较高, 而光发射机对整个系统的载噪比 (CNR) 复合二阶失真 (CSO) 和复合三阶差拍 (CTB) 等指标影响至关重要, 所以光发射机的设计成为系统的关键之一 [7]. 射频信号对激光器的调制分为直接强度调制和外调制两类, 对于 1310nm 系统多采用直接强度调制, 而在 1550nm 系统中则采用外调制技术. 直接强度调制光源一般采取分布反馈式 (DFB) 激光器, 硬件简单, 成本较低, 应用广泛. 外调制多采用多量子阱分布反馈 (DFB MQW) 激光器, 它可以提供大功率的光输出, 用在光节点数要求多且远距离传送的网络. 由于激光器固有的非线性, 当光纤 CATV 系统传输的频道数较多时, 多路副载波同时调制将产生谐波失真和互调失真, 造成系统指标 CSO,CTB 的劣化, 所以必须考虑激光器的非线性补偿 [8~10], 该项技术具有重要的应用意义. 本文从分布反馈式激光器 (DFB LD) 的速率方程出发, 分析了激光器固有的非线性特性, 得出了其二次谐波和三次谐波对基波分量的比值随副载波频率变化的关系, 通过预失真电路的设计, 改善了光发射机的 CSO 和 CTB 指标. 1 DFB 激光器的非线性分析 由于激光器固有的张弛振荡 增益饱和及有源区空间烧孔等因素, 当多路副载波同时调制时, 会产生各副载波的谐波项和互调项. 如果这些非线性产物落在所传输的频道内, 势必影响电视信号的图像质量. 另外, 直流偏置及调制度也直接影响了激光器的线性特性, 调制度大些, 江苏省科委九五攻关项目 (BE96019). 收稿日期 :1998-11-26. 第一作者 : 女,1962 年生, 副教授.
74 东南大学学报第 29 卷 可得到较大的光功率输出, 使信噪比 (SNR) 增大, 但过大, 则会造成激光器的削波失真. 所以, 在多路副载波调制时, 通常取调制度 m=3% ~5%. 估算激光器的非线性, 一般采用 2 种方法. 一种方法是通过其输出特性, 求出光强对电流的二阶 三阶导数及落入某个频道的二阶 三阶产物, 计算出 CSO 和 CTB. 这种方法适用于调制频率低的场合. 另一种方法是从激光器的速率方程出发, 求出二阶 三阶谐波失真, 再乘以互调产物因子, 以得到 CSO 和 CTB, 它适用于多路副载波的场合, 由于 CSO,CTB 与二阶 三阶谐波失真直接相关, 所以二阶 三阶谐波失真反应了激光器固有非线性特性 [9]. [9] DFB 激光器速率方程可表示为 dn dt = I(t) qv -N -g 0 (N-N 0 )(1-εS)S (1) τe ds dt =Γ g 0 (N-N 0 )(1-εS)S- S + Γ β N (2) τp τe 式中,N 和 S 分别是电子密度和光子密度 ;I(t) 为驱动电流 ;q 为电子电荷 ;V 为有源区体积 ;τe 和 τp 分别为电子和光子寿命 ;g 0 为增益常数 ;N 0 为透明电子密度 ;Γ 为限制因子 ; β 为自发辐射因子 ;ε 为非线性增益因子. 设注入激光器的驱动电流为 I(t)= I b +I a e jωt (3) 式中,I b 为偏置电流 ;I a 为交流分量 输出光为 S= 珔 S+s 1 e jωt +s 2 e j2ωt +s 1 e j3ωt (4) 式中,s 1,s 2,s 3 分别为基波 二次谐波 三次谐波值. 将式 (3) 式 (4) 代入式 (1) 式 (2), 可得出对基波频率有如下关系 : (A-jω)n 1 +Bs 1 + I a qv =0 (5) Cn 1 +(D-jω)s 1 =0 (6) (A-2jω)n 2 +Bs 2 +Es 1 n 1 +Γs 2 1 =0 (7) Cn 2 +(D-2jω)s 2 -ΓEs 1 n 1 -ΓEs 2 1 =0 (8) (A-3jω)n 2 +Bs 3 +Es 1 n 2 +En 1 s 2 +2Fs 1 s 2 +g 0 n 1 s 2 1 =0 (9) Cn 3 +(D-3jω)s 3 -ΓEs 1 n 2-2ΓFs 1 s 2 -Γg 0 n 1εs 2 1 =0 (10) 常数 A 至 F 的表达式为 A=-g 0 (1-εS)S-τ -1 e B =-g 0 )(1-ε 珔 S)+g 0 )ε 珔 S C =Γg 0 (1-ε 珔 S) 珔 S+ Γ β τ -1 e D =-τ -1 e +Γg 0 )(1-ε 珔 S)-Γg 0 )ε 珔 S E =-g 0 (1-ε 珔 S)+g 0ε 珔 S F = g 0 )ε 将式 (5)~ 式 (10) 整理得二阶和三阶谐波项对基波的比值为 2HD C = s 2 2 = s 1 3HD C = s 3 m=0 6 = s 1 p=0 a m (jω) m 10 C p (jω) p 4 b n (jω) n (11) n=0 q=0 d q (jω) q (12)
第 4 期王辉等 : 光纤 CATV 系统中 DFB 激光器的非线性失真及补偿 75 系数 a m,b n,c p 和 d q 的表达式冗长, 在此不作赘述. 当取 Ortel1610BDFB 参数 [9] N 0 =1.0 10 24 m -3,V=2.5 10-16 m 3,Γ =0.3,g 0 =5.5 10-12 m 3?s,τp =1.0ps,τe =2.988ns, β = 2.0 10-4,ε =2.1 10-22 m 3,q=1.6 10-19 C,I th =21.5mA 时, 得到 s 2?s 1 和 s 3?s 1 与载波频率的变化关系如图 1 所示. 图 1 谐波失真与副载波频率的关系 由图可知, 二阶和三阶谐波失真随着载波频率的升高而增大 ; 二阶谐波失真较之三阶谐波失真严重 ; 在保持调制度 (m =5%) 不变的情况下, 改变偏置电流 I b 值, 可以有效地影响二阶和三阶谐波失真. 通过实验, 激光器偏置电流与阈值电流的比值取为 2 较合适. 2 补偿 DFB LD 失真的电路 预失真电路是补偿 DFB LD 非线性失真的一种经济 有效的方法, 它是在射频信号进入激光器之前, 刻意产生二阶及三阶谐波信号和互调补偿信号, 控制其幅度和相位, 然后将补偿信号和射频信号混合后送入激光器, 从而与激光器非线性产物相抵消, 图 2 示出了其原理框图. 图 2 预失真电路原理 由于射频信号范围从 50MHz 至 500MHz, 达 10 倍频程, 所以要产生这样的宽带补偿信号较为困难, 通过对 DFB LD 的固有非线性分析, 可以重点考虑高频端的补偿, 以减小电路设计的难度. 上图中设计 调节的难点是二阶 三阶失真电路及相位调节电路. 相位调节可以采用同轴电缆来实现. 其基本原理为在射频条件下, 同轴电缆的相移常数可用简化公式计算如下 : β =ω 槡 LC = 20 3 π fε 槡 e (13) 汪祥兴 射频电缆设计手册 上海 : 电子工业部第二十三所,1996 133~140
76 东南大学学报第 29 卷 式中,f 为射频频率, 单位为 MHz;εe 为等效介电常数 ; β 的单位为 rad?km; 设射频信号经延时电路产生的相移为 β1; 延时线长度为 l 1 ; 二阶及三阶失真信号所相移为和 β2 β3; 延时线长度为 l 2 和 l 3 ; 则产生与 LD 非线性产物幅度相等 相位相反的补偿信号应满足 β1l 1 =2nπ, β 2l 2 =(2n+1)π, β 3l 3 =(2n+1)π (14) 式中,n 为正整数. 二阶及三阶失真信号产生的机理如图 3 所示 图 3 二阶和三阶失真信号的产生原理 图 3(a) 中的放大器 1 和 2 均通过合理的偏置使之工作在非线性状态, 所以其输出不仅含有基波分量, 而且有偶次分量. 由于 2 个放大器的输入信号相位相反, 故它们产生的偶次分量相位相同, 奇次和基波分量相位相反, 这样两路信号通过并联输出, 偶次分量因同相叠加而增大, 奇次和基波分量因相位相反而抵消, 所以二阶失真电路输出主要为偶次分量成份, 图 3(b) 在图 3(a) 的基础上使两路输出的相位也差 180, 这样就得到了原信号的奇次分量, 偶次分量得到了有效地抑制, 图 4 给出了二阶 三阶失真电路的测试频谱图. 图 4 二阶和三阶失真电路的测试频谱
第 4 期王辉等 : 光纤 CATV 系统中 DFB 激光器的非线性失真及补偿 77 3 结论 本文讨论了光纤 CATV 系统中 DFB 激光器的非线性以及预失真补偿电路的设计. 通过作者的设计, 在 49.75MHz 处, 光源的 CSO 和 CTB 指标分别改善了 3dBc 和 4.7dBc, 达到了系统要求. 参考文献 1 AntonHHTan.SuperPON AfibertothehomecablenetworkforCATVandPOTS?ISDN?VODaseconomicalasaco axialcablenetwork.jlightwaretechnol,1997,15(2):213~218 2 Ovadia,Lin.PerformancecharacteristicsandapplicationsofhybridmultichannelAM VSB?M QAM videolightwave transmisionsystems.jlightwaretechnol,1998,16(7):1171~1185 3 KelerS,KremmelH,WarmeG,etal.HybridtransmisionofanaloguePALanddigital64QAMCATVchannels.Elec tronlet,1995,31(5):904~905 4 Kanazawa.Pre clippingmethodtoreduceclipping induceddegradationinhybridanalog?digitalsubcarier multiplexed opticaltransmisionsystems.ieeephotontechnol,let,1995,7(9):1069~1071 5 BoitelM.30 ChannelAM VSBCSO freetransmisionthroughpraseodymium dopedfiberamplifier.in:ofc 98Techni caldigest.83~84 6 Lai,Conradi.Theoretialandexperimentalanalysisofclipping inducedipulsivenoiseinam VSBsubcariermultiplexed lightwavesystem.jlightwavetechnol,1997,15(1):20~30 7 查开德. 光纤 CATV 中的关键设备. 世界有线电视信息,1995,2(10):22~29 8 Iwai.Reductionofdispersion induceddistortioninscmtransmisionsystemsbyusingpredistortion linearizedmqw EA modulators.jlightwaretechnol,1997,15(2):169~177 9 LinHung tser.nonlineardistortionsandcompensationsofdfblaserdiodeinam VSBlightwaveCATVapplications.J LightwaveTechnol,1996,14(11):2567~2574 10 CartledgeJC,BurleyGS.Theefectoflaserchirpingonlightwavesystemperformance.JLightwaveTechnol,1989,7 (3):568~573 NonlinearDistortionsandCompensationsofDFB LDin LightwaveCATVSystems WangHui ChenDehua YangXianglin (InstituteofOpticalFiberCommunication,NanjingInstituteofPostsandTelecommunication,Nanjing210003) Abstract: Theinherentnonlineardistortionsofthedirectmodulateddistributedfeedbacklaserdiode appliedinlightwavecatvsystemsarestudiedfromtheviewpointofrateequationsandthepredistortion circuitisdesignedtoimprovetwoparametersofcsoandctbfortransmisionquality. Keywords: lightwavecabletelevision;distributedfeedbacklaserdiode;harmonicdistortion;predistor tioncircuit