有線電視網(wǎng)絡(luò)光分路器的設(shè)計(jì)

摘要：闡述了有線電視網(wǎng)絡(luò)中的重要器件——光分路器在網(wǎng)絡(luò)中的作用及對(duì)其設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)，并詳細(xì)說(shuō)明了光分路器主要技術(shù)指標(biāo)，解析了光分路器各技術(shù)指標(biāo)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算公式和設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：光纖；光分路器；分光比

O 引言
    利用光纖傳輸電視節(jié)目具有頻帶寬、容量大、損耗低、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、保真度高、工作性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，不僅能擴(kuò)大有線電視覆蓋面，減少傳輸線路中放大器的個(gè)數(shù)，提高整個(gè)有線電視系統(tǒng)的指標(biāo)，而且解決了全電纜網(wǎng)放大器維護(hù)難的問(wèn)題。光纖傳輸網(wǎng)已成為有線電視CATV網(wǎng)絡(luò)最主要的傳輸手段。
    在光纖CATV網(wǎng)絡(luò)中，不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，光分路器是進(jìn)行光信號(hào)分路傳輸必不可少的光器件。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展，以及網(wǎng)絡(luò)功能的增多，光纖CATV網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展，光節(jié)點(diǎn)密集度越來(lái)越大，而分路器是光節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的最重要中介設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中需要大量接入光分路器。因此，我們完全有必要對(duì)光分路器進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。本文主要介紹單一波長(zhǎng)的單模光分路器的光學(xué)指標(biāo)并結(jié)合作者參與的有線電視光纜網(wǎng)工程施工中的光分路器的設(shè)計(jì)和使用的一些方法進(jìn)行解析，希望對(duì)數(shù)字有線電視網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)有所幫助。

1 分路器主要指標(biāo)
    光分路器是光纖鏈路中最重要的無(wú)源器件之一，其作用是將一路光按一定比例分成多路輸出。光分路器類似于電纜傳輸網(wǎng)絡(luò)中的分支器、分配器。在實(shí)際的運(yùn)用中，常常用光分路器把光發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)分成強(qiáng)度不等的幾路輸出，光強(qiáng)較大的一路傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的設(shè)備，光強(qiáng)弱的一路傳輸?shù)捷^近的距離，以使各個(gè)光節(jié)點(diǎn)都能得到近似相等的光功率。在進(jìn)行光分路器的設(shè)計(jì)前，必須熟悉光分路器的指標(biāo)。其主要指標(biāo)有以下幾個(gè)：
1．1 附加損耗
    光分路器把輸入端的光信號(hào)按照預(yù)定的分光比對(duì)各個(gè)支路進(jìn)行分配時(shí)，光信號(hào)通過(guò)光分路器時(shí)除分光損耗外，還有光分路器本身對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗，這種損耗稱為光分路器附加損耗。
    附加損耗是分路器最基本的技術(shù)指標(biāo)，它與其他性能指標(biāo)都有著內(nèi)在的聯(lián)系。因此，附加損耗不僅僅衡量器件的光學(xué)性能，更重要的是它與器件的抗震性能、溫度穩(wěn)定性和使用壽命也有著內(nèi)在的聯(lián)系。為此，我們?cè)谶x用光分路器時(shí)，對(duì)廠家的這個(gè)指標(biāo)必須嚴(yán)格篩選。

1．2 分光比
    光分路器對(duì)各支路光功率分配的比例稱為分光比，分光比定義為光分路器某輸出端輸出光功率與光分路器輸出端總的輸出光功率之比。
此指標(biāo)是光鏈路的最主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，后有詳解。
1．3 分光比偏差
    分光比偏差是指制造分路器時(shí)實(shí)際分光比與設(shè)計(jì)值的偏差。這個(gè)偏差使得一路光增加，另一路光減少。本質(zhì)上并不影響輸出總功率。
由于發(fā)射端到各光節(jié)點(diǎn)的距離各不相同，為保證接收端接收功率一致，分路器的分光比應(yīng)和傳輸距離相對(duì)應(yīng)，即：傳輸距離越遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)該路分光比值越大。若實(shí)際使用的分路器與設(shè)計(jì)分光比有誤差，則會(huì)導(dǎo)致接收端接收功率不一致。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家完全有能力將1×N光分路器的分光比誤差控制在±0．5％以內(nèi)。

1. 4 分光損耗
    分光損耗：不同的分光比對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗就叫做分光損耗，其值為-10lgK(K為分光比值)。
1．5 插入損耗
    插入損耗包括分光損耗和附加損耗兩部分，即插入損耗(dBm)=-10lgk+附加損耗。

2 光網(wǎng)絡(luò)光分路器的設(shè)計(jì)、計(jì)算
    在HFC網(wǎng)光纖傳輸干線設(shè)計(jì)中，當(dāng)光纖路由及光纖損耗值、光節(jié)點(diǎn)數(shù)量確定后，就可以設(shè)計(jì)并計(jì)算出每一光纖支路所需的光功率、光分路器的分光比，還能計(jì)算出整個(gè)光鏈路所需要的光功率。在計(jì)算所述指標(biāo)時(shí)，按照以下計(jì)算步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2．1 每一支路光纖損耗值計(jì)算
    當(dāng)光纖路由確定后，每一支路的光纖鏈路損耗值就可以得出。目前廣電系統(tǒng)大量使用的是G652型光纖。對(duì)于1310 nm窗口，G652光纖損耗不超過(guò)0．35 dBm／公里，對(duì)于1550 nm窗口，G652光纖損耗不超過(guò)0．22 dBm／公里。對(duì)于已經(jīng)完工的路由，可以使用光時(shí)域反射儀進(jìn)行測(cè)量，得出實(shí)際鏈路的損耗值。每一支路的光纖鏈路損耗值應(yīng)留出一定的余量。計(jì)算公式如下：
    S=a×lN．
式中：S為支路光鏈路損耗(dBm)；a為光纖每公里損耗值；lN為光纜各支路距離。
2．2 光接收機(jī)接收功率
    目前使用的光接收機(jī)，在接收光功率為-4～+3 dBm的條件下，光接收機(jī)輸出電平范圍為96～108 dB。光接收機(jī)輸入光功率變化對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)有一定的影響，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)都能明示。
    當(dāng)光接收機(jī)輸入光功率有所提高時(shí)，各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)均有較大提高，為電纜分配網(wǎng)留出較多余地。為此，在設(shè)計(jì)光纜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，確定光接收功率為0 dBm±1 dBm。
    這里要提出一下，dBm和mw都是光功率的單位，它們應(yīng)用的場(chǎng)合不一樣。它們可以進(jìn)行換算。換算公式如下：

   
2．3 活接損耗
    每個(gè)光系統(tǒng)包含有多種光設(shè)備，如光發(fā)射機(jī)，光接收機(jī)，光放大器等等，而這些設(shè)備都需要用FC、SC等法蘭進(jìn)行接頭，而這些活動(dòng)連接頭會(huì)產(chǎn)生一些損耗，這些損耗應(yīng)計(jì)入光鏈路所需的總功率?；罱宇^損耗設(shè)計(jì)值一般為0．5 dBm。
2．4 光分路器的分光比的設(shè)計(jì)
    設(shè)各路的總光功率為∑Pn，某一路所需的光功率為P1，則分光比K1=P1／∑Pn，需要強(qiáng)調(diào)的是，某一支路所需的光功率為該支路光纖鏈路損失功率加上光接收機(jī)輸入光功率。
    根據(jù)光節(jié)點(diǎn)路由距離優(yōu)化組合分組情況，使用以下公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
    計(jì)算公式：
   
式中：P1，P2，P3為各支路光接收機(jī)的輸入功率，mw；PN為光纖分路器各支路輸出光功率，mw；PT為光發(fā)射機(jī)的出纖功率，mw；KN為光纖分路器各支路分光比；N為代表自然數(shù)1、2、3……；a為光纖每公里損耗：a=0．35 dBm／km(1310 nm窗口)和0．22 dBm／km(1550 nm窗口)；l為光路由長(zhǎng)度。
    根據(jù)以上公式可得N路出光分路器得各路分光比：
   
2．5 光鏈路各分路的損耗計(jì)算
    設(shè)計(jì)并計(jì)算出光分路器的分光比后，通過(guò)以下公式可以計(jì)算出光鏈路各支路的損耗。計(jì)算公式為：
    LN(dBm)=-10Lg Kn+a×ln+附加損耗+光連接器損耗．
    為確保網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期安全平穩(wěn)運(yùn)行，多數(shù)情況光鏈路應(yīng)留有1 dBm余量。因此，光鏈路各分路的損耗應(yīng)做如下設(shè)計(jì)。
    LN(dBm)=-10lg Kn+a×ln+附加損耗+光連接器損耗+1．
2．6 分光器輸入光功率的計(jì)算
    根據(jù)各支路的上述參數(shù)，可計(jì)算得出光分路器所需的輸入光功率，也就是真?zhèn)€網(wǎng)絡(luò)需要的總功率?？偣β实扔诟髦返墓β蕮p耗。由此可知道所需要的光發(fā)射機(jī)的功率，上述總功率等于發(fā)射機(jī)的功率。
    隨著模擬和數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，以及伴隨著光纖到戶，光網(wǎng)絡(luò)主要傳輸設(shè)備光分路器在光網(wǎng)絡(luò)中使用的頻率會(huì)大大加強(qiáng)，而分路器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)優(yōu)劣、有無(wú)起著決定性的作用。在光纖CATV網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)以上詳細(xì)對(duì)光分路器計(jì)算和分析，給光網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。