有线电视HFC网络技术

有线电视HFC网络技术（讲座）作者：丁炜第一部分、激光在CATV中的应用激光技术是60年代初发展起来的一门新兴科学技术，它引起了现代光学应用技术的巨大变革。激光是电磁波，其传输规律满足麦克斯韦方程，在边界上发生反射、全反射和折射现象，也具有干涉的衍射效应，其和其它频率的电磁波一样，在真空中传播速度为每秒30万公里。激光在电磁波谱中的位置如下：（粗实线一段）紫外线1μm1550紫兰绿黄橙红红外线在上述光源中，只有激光具有高定向性，高单色性、高亮度等特点。正是由于激光的这些特点，才能作为电视信号和通信等的载体，而其它的光源则不能作为载体。在有线电视系统中，现在一般采用1.31µm和1.55µm波长的激光。一、激光的产生机理在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件P1P2exp(2G-2A)≥1（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。二、激光的特点由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，因而它同以自发辐射为基础的普通光源相比有许多鲜明的特点。1．方向性好。激光具有很强的方向性，它治着一定的方向（比如光纤内）传播，而普通光源发出的光却是向四面八方均匀传播。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，从而确保了激光的方向性，如果把激光器射到月球上，光斑直径不到2公里，而如把普通光源的光射到月球上（这根本是不可能的，这里只是假设），光束扩散直径将达到几万公里。2．激光的单色性好。激光具有很窄的频谱，寻常光源除发出的可见光外，还包括紫外线、红外线，频谱相当宽，把所有的光滤波技术用于寻常光源也不能得到激光那样的纯色。3．亮度高。激光器单位面积上的发光功率非常大，这种光点所照射之处，在不到千分之一秒时间内就能产生几百万度的高温，在光纤中传播的有线电视光功率一般都在几十毫瓦以下，能量不是很强大，但一定不要直视，否则会损伤眼睛，这是在应用中要特别引起工程技术人员注意的。三、激光器。激光器是产生激光的装置，主要包括激活物质，泵浦系统和谐振腔三个部分，泵浦系统向工作物质输送能量，使其实现粒子反转，而谐振腔，则使受激辐射光不断被放大，以至输出稳定的激光。激光器应用于有线电视中，需要在各种环境条件下都能长时间连续工作，因而要求激光器应能输出较高的连续光功率，除此之外，CATV激光器还应具有以下特点：1、激光器发出的波长应该在光纤的低损耗窗口，即与1310nm、1550nm光纤相适应。2、应该有高的电光转换效率，能低功耗驱动，长寿命、高可靠。3、单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散、提高光源与光纤的耦合效率，可宽带调制，响应速度快。4、体积小，重量轻，便于安装。在有线电视应用中，常用的激光器主要有分布反馈激光器（DFB），量子阱半导体激光器，在回传系统中上行发射也用最简单的激光二极管（LD）。1、激光二极管（LD）。激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。2．分布反馈激光器（DFB激光器）将激光二极管发光面表面刻上波纹状的衍射光栅，就构成了一个DFB激光器。同激光二极管只在两个端面形成反射，进行反馈不同，DBF激光器依靠光栅中各个波纹峰的反射进行反馈，尽管每个波纹峰处的反射很小，但由于波纹峰多，波纹周期完全相同，是反射光叠加成较大的反射，可得到较大的功率（20MW以上）输出；另外光栅还增强了谐振腔的选频作用，以保证激光器中只形成一个频率，一种模式的光振荡，做到单模输出。DFB激光器还采用了一些提高线性的措施，使其在注入电流大于阈值电流（高质量DFB激光器的阈值电流通量小于20mA）时输出功率基本与注入电流成正比。同激光二极管相比，DFB激光器具有单色性好，（谱线宽度仅为激光二极管的十分之一），温度系数小，输出功率大，线性好，便于调制，容易引起单模振荡，可以传输较宽频带的优点。从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用，目前市场上的光发射机在约有60%是采用DFB激光器。3．多量子阱激光器（MQW激光器）MQW激光器是用超薄膜（厚度〈20nm〉形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。MQW激光器的优点：（1）阈值电流小，由于其结构中“阱“的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。（2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。（3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。（4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。（5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强，以上讲述了CATV系统常用的激光器的特点，但是在光发射机中单是半导体激光器是不能正常工作的，它还必须包含有其它器件，如光电二极管，热敏电阻，半导体致冷器、光隔离器、透镜和尾纤等。这些内容将在光发射机的原理中介绍。三、激光器的性能指标为了更好的理解激光器的原理特性与应用特性，以下简单的讲述一下激光器的性能指标。1、激光器的门限电流与功率输出。激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大，这将在后面介绍。2、激光器的调制增益。激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。3、激光器的相对强度噪声RIN。激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。常用dB/HZ作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。4、激光器的线性范围。激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这是可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽不能小，当温度升高时，阈值电流以1%—2%/ºC的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。5、带内平坦度。普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为±1dB（750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。6、激光器的温度特性。激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。因此为了使激光器能稳定工作，必须先控制结温，以免给定偏置电流下的输出光功率随环境温度变化。在实用化的器件中，都装有用于温度控制和半导体致冷器和热敏电阻。关于激光器的温控与保护将在光发射机原理中介绍。7、激光器的谱线宽度。谱线宽度是指激光器发出的激光波长的范围，常用Δλ来表示，激光器的谱线宽度越小，其单色性就越好，相应的输出特性也越好。8、激光器的交流等效输入阻抗。激光器的交流等效输入阻抗和输入频率有关；RF输入信号的频率带宽应小于共振频率FT，否则，输入阻抗升高，将导致调制系数的骤然上升，增加非线性失真。低于共振区的频率范围是一个平坦的曲线，这是可利用的频率范围，也就是我们平时所讲的光发的带宽。除以上参数外，描述激光器的参数还有发光效率，激光器寿命，工作稳定性等，限于篇幅，此处不多述。以上简单介绍了CATV领域激光器原理特性，讲原理是为了更好的应用，如果不懂原理则无法得心应手的应用第二部分、HFC激光的传输载体—光纤的应用作者：丁炜1970年美国康宁玻璃公司宣布制成了世界上第一根光纤，损耗系数为70dB/km，这可以说是最早的光纤，随后几年中，贝尔电话实验室和康宁公司合作迅速把光损耗系数降低到1dB/km以下。而我国最早的光纤生产于1980年，到了1986年国产单模光纤在1.31μm波长的损耗系数达到0.5dB/km。自从有了光纤，人类才有了一个崭新的光通信领域。一、光纤的结构和原理。光纤（Opticalfiber）是工作在光频的一种圆柱形介质波导，其材料为二氧化硅玻璃。光纤一般是由直径为几毫米至几十毫米的预制棒（俗称光棒）加热至2000ºC，由拉丝机拉制而