全雙工直接調制激光器光網絡單元的優化研究

陳芯蕊,楚廣勇,2

(1.江南大學理學院,江蘇 無錫 214122；2.江蘇省輕工業光電工程技術研究中心,江蘇 無錫 214122)

1 引 言

通信系統對數據容量需求的爆炸式增長加速了下一代無源光網絡2(NGPON2)的發展[1-2]。受農村地區,遠距離辦公等里程限制,國際電信聯盟(ITU)和電氣和電子工程師協會(IEEE)等標準化組織提出了覆蓋范圍更廣的PONs[3-4],大范圍網絡傳輸需要光放大器來延長光線路終端(OLT)和光網絡單元(ONUs)之間的距離[5]。

選擇體積小、使用壽命長、預算低的半導體光放大器(SOA)進行研究,SOA在小尺寸和稍差的放大器性能之間提供了很好的平衡,可以應用于密集光路中與其他器件進行耦合和集成,適合ONU的無色應用[6]。因此,準確地選擇輸入功率和偏置電流對于確定最佳運行條件以實現基于SOA的所需功能并利用其快速非線性特性是非常重要的。本文對SOA進行優化建模,系統地分析了SOA在不同輸入功率和偏置電流下的性能特征,進一步搭建了一個基于SOA與分布反饋(DFB)激光器集成的20 km雙向傳輸通信系統,測試并分析了該系統在通信速率為2.5 Gb/s下的頻移鍵控(FSK)通信性能,有效展示了SOA在實際雙向無源光傳輸網絡的一個重要集成無色應用。

2 SOA的理論建模與主要特性

以SOA寬帶理論模型為基礎,設定經典材料系數和幾何參數[7],從能帶理論推導引入材料增益因子,考慮放大自發輻射噪聲與光信號的相互作用,模擬出一個InP-InGaAsP均勻掩埋脊形SOA。

2.1 SOA的工作結構與原理

SOA的有源波導為InGaAsP,襯底為InP,整體結構如圖1所示。泵浦電流為外來光子受激輻射所需的粒子束反轉提供能源,讓光子在有源區得到增益。有源層周圍是低折射率的寬帶隙材料,用來提高受激輻射與光子注入效率。輸入輸出兩端涂有抗反射涂層,能減少光腔反射,從而防止自激振蕩。有源區掩埋在InP質基底內呈異質結結構,有利于將光束限制在有源區內,提高有源區載流子濃度。這種設計在第三通信窗口中具有出色的散熱和光譜響應[8]。

圖1 SOA 結構示意圖

2.2 SOA的算法流程模型

為方便計算,假設所有偏置電流僅通過有源區且在有源區寬度上呈均勻分布。SOA在空間中被離散化,以便對SOA模型方程實現數值求解。將SOA分成Z個部分,針對每個部分載流子濃度n(i)的相對誤差進行迭代判斷,初始場和噪聲光子密度為0,采用牛頓迭代法求解初始載流子濃度。SOA算法流程如圖2所示。

圖2 SOA穩態模型算法

將新的載流子濃度減去上一次計算的載流子濃度,如果相對誤差大于限定因子φ(φ=10-6),那么采用替歸算法n(i)new=(1-γ)n(i)new+γn(i)old。替歸系數γ為0.4時,迭代效率較高。繼續迭代直到信號場,自發輻射噪聲光子密度和載流子濃度迭代的變化率在期望誤差的容忍范圍內,得到收斂到載流子濃度的最佳值。整個過程使用一組耦合光場傳播方程[9]求得信號場和噪聲光子密度,根據載流子濃度速率方程[10]來更新載流子濃度。迭代停止后,依次推導增益(Gain)和噪聲指數(NF)。

2.3 SOA的模擬結果與特性分析

圖3是根據算法模型得到的SOA特性分析圖。偏置電流很小而輸入光功率很大時,SOA的受激輻射比自發輻射弱,所以會出現增益為負現象,這里不予討論。

圖3 SOA模型的特性分析圖

圖3(a)是隨偏置電流變化而變化的增益和噪聲指數分析圖。當偏置電流較小時,隨注入電流增加,載流子密度增加,SOA增益逐漸增大,此時受激輻射加強,自發輻射的噪聲功率相對減弱,噪聲指數下降。當偏置電流增加到一定程度,受載流子濃度恢復時間的限制,增益受到抑制從緩慢上升至不變,此時受激輻射趨于穩定,噪聲指數基本不變。

圖3(b)是隨輸入功率變化而變化的增益和噪聲指數分析圖。當輸入光功率較小時,消耗的載流子數目較少,SOA能充分放大光信號,受激輻射和自發輻射相應增加,增益和噪聲指數基本不變；隨著輸入光功率的增加,有源區的載流子消耗速率加快,載流子濃度在較低的水平上達到新的平衡,SOA放大能力減弱,從而增益下降[11]。當SOA逐漸飽和時,自發輻射隨著輸入信號功率的增大而減小,輸出信噪比增大,噪聲指數減小。隨著輸入功率的增大,由于光纖非線性效應[12],SOA達到強增益飽和,輸出噪聲值迅速增大,輸出信噪比減小,噪聲指數增大。

必須排除兩個區域才能實現SOA的最佳性能。如果信號的輸入功率太低(Pi<-20 dBm),與信號光子速率相比,噪聲光子速率相當高,信號以小信號增益放大,但不會達到高輸出功率水平。與信號輸出功率接近飽和的情況相比,噪聲的輸出更多。而高輸入功率的信號(Pi>0 dBm)是低增益放大,放大器會增加噪聲。在這兩個邊界之間,對于中等或高偏置電流,可以獲得低分貝的噪聲指數,保證工作在透明閾值以上,SOA在這個區間內實現最佳性能。從圖3(b)可得Pi= -20 dBm,Ibias=100 mA 是最佳相位調制點,Pi=-5 dBm,Ibias=100 mA 是最佳幅度調制點。

圖4(a)、(b)展示了在輸入功率為-20 dBm和 -5 dBm時,SOA在不同偏置電流下的增益平坦度。在1540 nm到1560 nm之間,模擬的SOA增益平坦性良好,噪聲指數較低,能滿足基于SOA的各種應用需求,可作放大器、調制器、光開關等用途[13-14]。隨偏置電流的增加,不同波長間的增益方差變小,增益平坦度增加。

3 DFB-SOA在雙向光傳輸網絡的應用

DFB激光器采用折射率周期性變化的結構實現諧振腔的反饋,通過直接調制產生頻率調制或頻移鍵控信號,有著高輸出功率和優秀的單縱模特性,受到國內外的廣泛關注與研究[15-16]。將SOA與DFB激光器集成,SOA能放大DFB的光信號,補償信號通過光纖傳播時的衰減,擴大PON的延展范圍。

圖4 SOA模型的增益平坦度曲線

3.1 基于DFB-SOA的20 km 2.5 Gb/s雙向傳輸的設計和分析

圖5顯示了在2.5 Gb/s數據速率下,使用偽隨機二進制序列(PRBS)測量以DFB-SOA激光器為上行發射機的20 km雙向傳輸網絡性能的實驗框架。下行傳輸在OLT使用外調制,PRBS經過標準不歸零脈沖(NRZ)發生器轉換為電信號,通過馬赫-曾德爾調制器(MZM)加載到連續光波上,成為入纖所需的載有 “信息”的光信號。通過20 km標準單模光纖(SSMF)傳輸后,光信號通過光電探測器和均衡濾波器轉換成低噪聲電信號。最后,從誤碼率分析器中檢測得到最終輸出信號的誤碼率。上行傳輸是在ONU使用直接調制,數據信號通過DFB-SOA集成激光器內調制加載到光載波上,DFB激光器的泵浦電流為120 mA,峰峰值電流為50 mA,SOA的增益為25 dB,噪聲指數為8 dB,其他與下行傳輸結構一致。

3.2 基于DFB-SOA的20 km 2.5 Gb/s雙向傳輸結果與討論

圖6(a)(b)顯示了2.5 Gb/s的單向傳輸在單模光纖為0和20 km兩種情況下的傳輸誤碼率(BER)與接收光功率的關系。前向誤碼率為2.4×10-4時[17],單向上行傳輸在背對背(BTB)的靈敏度為 -23.4 dBm,在20 km的靈敏度為 -22.7 dBm；單向下行傳輸在BTB的靈敏度為 -32.2 dBm,在20 km的靈敏度為 -31.6 dBm。

ODN-光分配網絡; CW Laser-連續波激光器; C1,C2-循環器; VOA-可變光衰減器; PIN-PIN 二極管; TIA-跨阻抗放大器

圖6(c)為基于DFB-SOA的雙向傳輸在單模光纖為0和20 km兩種情況下的系統通信誤碼率測試結果。在通信速率為2.5 Gb/s,前向誤碼率為2.4×10-4的條件下,BTB傳輸的上行靈敏度為 -23.1 dBm,下行靈敏度為 -31.7 dBm。經過20 km光纖傳輸后的上行靈敏度為 -22.4 dBm,下行靈敏度為 -31.4 dBm。

與BTB的雙向傳輸相比,20 km的雙向上游功率損耗為 0.7 dB,雙向下游功率損耗為 0.3 dB,證明20 km的光纖色散對整個系統產生的影響很小。同20 km的單向傳輸相比,瑞利后向散射會限制光接入網的接收靈敏度,20 km的雙向上游的功率損耗為 0.3 dB,雙向下游的功率損耗為 0.2 dB,瑞利后向散射對此系統的影響不大。

圖6 基于DFB-SOA的2.5 Gb/s單向與雙向光傳輸網絡的誤碼率分析圖

4 結 論

本文通過算法建模優化了實際SOA的工作性能,系統的測試并分析了影響SOA增益與噪聲指數的諸多因素。測試結果表明SOA在1540 nm到1560 nm的增益平坦度良好,可滿足基于SOA的不同功能需求,該SOA的最佳幅度調制點是輸入功率為-5 dBm,偏置電流為100 mA,最佳相位調制點是輸入功率為-20 dBm,偏置電流為100 mA。將SOA與DFB激光器集成放入20 km 2.5 Gb/s雙向無源光網絡的ONU中作上行信號源,前向誤碼率為2.4×10-4時,雙向傳輸的上行下行靈敏度分別可達到-22.4 dBm與-31.4 dBm,光纖色散與瑞利后向散射對此系統的影響很小,為今后SOA在實際ONU端的優化設計提供了理論指導。