基于光纤传能的异构无源光网络研究

基于光纤传能的异构无源光网络研究

郭瑞琪 刘旭

中国人民解放军 31401部队 辽宁省大连市 116021

中国人民解放军31401部队 吉林省长春市 130012

摘要：在未来的移动通信中，RAU数量的增加，同时也增加了移动通信业务的运营管理成本，所以需要对RAU进行更加简单与经济的管理。光纤传能(Power over Fiber, PWoF)系统，通俗地讲就是将光纤作为传输能量的介质，可以将电能转换成光能传输的系统。光作为能量传输的形式与传统的电能传输相比有着显著的优点，其中最明显的是对发送与接收设备的绝缘性能不做要求。PWoF系统基本不受无线电磁和闪电等不利条件的干扰，且组成设备重量更轻，也更加安全可靠。Matsuura M等人的最新研究利用双包层光纤传输150 W功率的良好传输性能，证明了RoF与PWoF融合系统的可行性。

关键词：光纤传能；异构无源

无源光网络(Passive Optical Network, PON)技术是用于扩展带宽，原理是让多个终端设备连接在一根光纤下，或者一个局端设备下。PON技术具有良好的可扩展性和较高的宽带等优点。建设一个PON需要的成本是比较低的，并且后期维护也很方便。对于RoF与PON的融合系统，国内有学者提出了一种基于外调制法单边带(Single-sideband modulation, SSB)调制方式承载60 GHz毫米波结合反射式半导体光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier, RSOA)的有线与无线结合的双向传输系统，取得了不错的进展。

在基于RoF-PON的移动网络中，PWoF的使用可以将电源集中在CO,并在同一光纤中提供具有光数据信号的馈电光(光功率)。此外，由于光纤是非导电电源线，因此PWoF可抵抗整体电源系统损坏。

1 RoF-PON与PWoF融合传输的 系统结构

图1所示为PWoF和RoF-PON的融合传输系统，由图可知，融合系统主要由两个部分组成，上半部分为信号的传送，下半部分为融合系统双向传输性能的验证。实验中选择了双包层光纤(Double Clad Fiber, DCF),因其具有双核结构，内包层的数值孔径和损伤阈值较大，可传输高功率激光，因此可以同时传输光数据信号和高功率，并且信号与功率之间没有明显的串扰。

首先，在CO端由连续波长激光器产生一个光模拟信号，在激光器的输出端用偏振控制器等器件来调节激光器的工作状态，使数据信号极化以获得质量最好的信号。采用马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)进行信号处理，产生的两个信号分别进入下一个MZM调制光信号与射频信号(Radio Frequency, RF),产生上下行信号，实验中使用双并行MZM(Dual Parallel MZM, DP-MZM)代替。光模拟信号进行调制后，下行信号经过阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)进行复用，然后传输到各自的MZM进行调制，得到携带数据的光信号。上行数据直接传输到光纤。MZM输出的边带采用掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)对系统信号功率电平进行调制。将放大以后的信号通过偏振控制器进行处理，去除EDFA放大后产生的噪声。信号经过处理以后，用若干高功率激光器(High Power Laser Diode, HPLD)和馈电光来产生光模拟信号，经过处理的信号在锥形光纤束合路器(Taper Fiber Bundle Combiner, TFBC)中与这些光模拟信号融合后进入光纤，再经过TFBD到达RAU端。

图1 PWoF和RoF-PON的融合传输系统

注：TFBD为锥形光纤束分配器；CPS为包层功率剥离器；PPC为光伏功率转换器；Rx为接收机；PD为光电二极管。

在RAU端测量包括光功率在内的一些参数，并且由此得出光功率的传输效率。光功率传输效率η表示为

η=PRAU接收∑P馈电光i×100%,η=ΡRAU接收∑Ρ馈电光i×100%,

式中：PRAU接收为在RAU端测量到的接收信号光功率；P馈电光i为CO端加入的馈电光的光功率。

还有一些参数需要将光信号转换为电信号，在RAU端由光接收器接收光信号，可以将光信号转化成电信号。先经过可变衰减器，再使信号进入信号分析仪，测量眼图和误码率等数据，由此分析传输信号的质量。

在RAU端接收到信号以后，信号经过基本的处理与MZM调制后传输到CO端，在CO端测量必要参数，并以此为根据分析系统的双向传输性能。

2 仿真结果与分析

用OptiSystem软件进行仿真，CO端激光信号的中心波长为1 552 nm, 上面携带电信号，并且与光脉冲融合传输;下行信号中，光脉冲信号的波长为808 nm。融合后的信号与两个由激光器产生的光功率为30 W的馈电光一起通过光纤传输到RAU端，接收端收到的信号经过循环器，将信号经过PD解调，再送入滤波器，最后得到所需信号，并送入信号分析仪对其进行误码率分析。在RAU端测量馈电光功率，同时观察电信号传输后的信号变化，测量眼图等参数。表1所示为系统仿真参数。

表1 系统仿真参数

功率合成器合成的两个信号的波形有很大的不同。这两个信号通过EDFA放大和集中。将光功率加到两个信号后，波形比之前更凌乱，但光谱图变化不大。通过光纤传输后，组合信号的波形更加复杂。虽然光谱与之前的测量相比变化不大，但干扰更大。馈电光输出功率为30 W(44.771 dBm),到达RAU终端的功率为22.454 W(43.513 dBm)。模拟中增加了两个高功率激光器，每个激光器的功率为30 W。这两个激光器用于为RAU提供光功率，因此总的输入光功率为60 W。可计算出光功率的功率传输效率约为37.4%。仿真结果如图2所示。

图2 激光信号

观察输入信号为不归零码(Non-Return-to-Zero, NRZ)信号时的眼图，可以发现，眼图中信号图像线条清晰，可以认为噪声较小，同时眼高大，峰-峰值抖动小，眼图图像端正，可以认为码间串扰小。系统中模拟信号传输效率较高。对比发射端与接收端的波形，可以发现系统传输性能较好，失真较小。

3 结束语

本文通过对系统的仿真，实现了基于RoF-PON和PWoF系统的融合传输，证明了RoF、PON和PWoF 3个系统的融合传输是成立的。根据融合传输的仿真结果来看，上下行误码率均在10-5左右，系统传输性能良好，说明该方案具有实际的功率传输能力，模拟信号和数字信号也具有较高的隔离度。仿真结果也表明，PWoF的引入对RoF-PON信号的传输没有影响。

光学供电的RoF系统同时实现了驱动RAU所需的电力输送和同一光纤中RoF数据信号的双向传输，能够传输驱动RAU所需的光学数据和功率。PWoF系统的集中供电系统不仅具有简化配置的潜力，也可优化电源管理，因此还可以降低基于RoF的移动网络的资本和运营支出。

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