WDM-TDM混合PON应用RSOA中的激射问题研究

武汉华工正源光子技术有限公司 丁国庆 周忠华

1.引言

众所周知，光通信骨干网不断向更大容量、更高速率、更多波长方向发展，国内外长途光通信速率已达40/100Gb/s，总通信容量已超过11Tb/s[1]；而光接入网也不断向高速、大容量方向发展。国内构建实用化光接入网的条件已逐步成熟：2.5Gb/s、10Gb/s的EPOM、GPON行业标准业已制订；实用化的光电子器件和IC已基本齐备并基本满足要求（如FP-LD、ASE、SLD、SOA已开始试用或小规模试用）；各种不同光接入网先后试验或试运行，且各具特色。在构建大容量光接入网方案中，WDM-TDM混合型PON具有明显的优势。

WDM-PON为每个用户分配一对专有的波长，可在任何允许时间内向OLT发送数据，可进行不同速率、不同业务种类的服务，而不影响其它用户。当需要为不同用户升级时，可分别进行，而不会产生相互干扰；而且增加新用户，只需要添加新波长，对其它用户带宽丝毫没有影响。WDM-PON的这种带宽和用户数量的易升级性，使之非常方便地支持商业用户和家庭用户，而且由于能提供点到点的连接，使得服务具有灵活选择性。

WDO-PON的关键问题，是寻找技术指标满足要求、工程价格能承担得起的关键光电子器件和微电子器件，其中包括WDM-PON用光放大器：EDFA、半导体光放大器（SOA）——注入锁模的F-P LD、行波型SOA和RSOA[2]。

与EDFA相比，RSOA具有光谱范围宽（-3dB谱宽可达60nm 以上）、结构简单、便于集成、体积小、使用方便、价格较便宜等优点；与行波型光放大器（TW-SOA）相比，具有小信号增益大、饱和光功率和输出光功率高、噪声指数较低等特点。但在使用过程中，发现在较大驱动电流下，RSOA光谱中存在激射峰，这会降低光信噪比，从而增加误码的可能性，这是要着力解决的关键问题。

2.RSOA芯片结构和技术指标

RSOA芯片结构由衬底、缓冲层、光波导层、应变量子阱有源层和表面接触层等组成，出射光的光波导轴向与端镜面成角度30°左右；其示意图如图1所示，上面为P+电极，下面为N+电极，前面为出光面，镀增透膜；背面为反光面，镀全反膜。

RSOA的工作原理，涉及到有源层原子中外层激发态电子与入射光子的相互作用，即在外界注入电流和入射光的作用下，RSOA有源层原子中处于激发态的电子，受外来信号光诱导作用，发射相同的光而放大。值得注意的是，这种光放大，与LD中的来回反射从而产生光增益的机理有所不同。在结构上，RSOA的两个端面，一个出光面光反射率接近于零，而另一个端面反射率接近于100%，不形成谐振腔。当然，由于工艺水平限制，出光面一般存在大小不等的剩余反射；而外端面也可能有反射光进入RSOA有源层中，从而产生光波纹或激射。

图1 R SOA的芯片结构示意图FIG.1 RSOA chip structure schematic

表1 RSOA芯片的主要技术参数（25℃）Table 1 RSOA general technical index （25°C）

图2 RSOA在TDM-/WDM 混合光PON ONU侧用作放大示例Fig.2 As a example of RSOA’ architecture in ONU side at downward direction used for light pre-amplifying in TDM -/WDM mixed PON

图3 RSOA在TDM-WDM混合PON用作调制光源示例Fig.3 As a example of RSOA used for the Modulation illuminant in TDM - / WDM mixed PON

RSOA芯片的主要技术参数，如表1所示。

RSOA可以设计成偏振相关或偏振无关两种类型。通常与偏振相关的RSOA温度特性好、小信号增益高。

与EDFA相比，RSOA存在偏振相干性、耦合效率低、容易激射等需要改进的地方。

3.RSOA在WDM-TDM混合PON中的应用

RSOA的应用，主要有两种方式，即作反射式调制光源，或作光放大。它在TDM-/WDM 混合PON中的应用示例，如图2、3所示。

4.RSOA使用中的激射问题

从技术性能上讲，希望RSOA有高饱和光功率和大的光信号增益，又不要产生光激射。要使RSOA饱和光功率和小信号光增益大，其腔长就比较长，驱动电流就比较大，这样有源区才就能获得较大的单程光增益。通常，RSOA的腔长大约是LD腔长的1.5-3倍，而驱动电流大约是LD的2-5倍。但在这种条件下，则易出现自激射和回光激射。

随着驱动电流增加，RSOA有源层中的自发辐射光子诱发的受激辐射会逐渐增加；当驱动电流超过某一确定值之后，自发辐射光子获得的单程增益如大于腔内损耗，RSOA就会出现自激射现象。实验表明，当驱动电流小于120mA、而3dB带宽为55nm、峰值波长为1.532µm、小信号增益为10dB时，无自激射现象产生；而当驱动电流为142 mA时，在无任何输入射光的情况下，则会出现自激射；但当外界有光信号输入时，则自激射临界阈值电流将增大到162 mA。这时加入光信号时，除了放大的信号光之外，还叠加有自激射光。测量到的RSOA在不同驱动电流下的光谱如图4所示。

图4 RSOA在不同驱动电流下、无光信号输入时自激射光谱图Fig.4 The RSOA’ laser spectra in different drive current and under no light input signal

图5 无激射的RSOA光谱Fig.5 no blaster's RSOA spectrum

图4表明，在较大驱动电流下，虽无信号光输入，但有自激峰产生。在120、180mA下都存在光自激射现象。在180mA下，自发辐射谱最高幅度约-40dBm；光信号增益为18dB左右（光放大信号幅度由-35 dBm到-17dBm），-3dB下谱宽约18nm；而光激射最大幅度为17dB（从-17dBm到0dBm）。

5.防止RSOA光激射的几种方法

RSOA使用中存在的光激射现象，主要来自两方面：RSOA出光端面的剩余反射引起的自激射和外面（如光纤端面）反射光引起的激射。

对出光端面的剩余反射，可通过RSOA芯片结构设计和端面镀膜解决。通常采用如下两种方法：

a）斜条腔法

使RSOA出光波导轴向与出光端面成一角度，如在5.5°-33°范围，使端面反射光不能进入有源层并形成反复放大。

b）镀制良好的增透膜

在出光端面镀以单层或多层λ/ 4良好增透膜。通过良好增透膜的消光作用，使膜中的反射光接近于零，从而没有反射光入射到有源层中。

根据物理光学中的多层膜系等效折射率计算方法，良好增透膜膜系的等效折射率，应满足相位匹配条件，并计算出各层介质厚度。

增透膜中，最简单的是制作单层增透膜。可供选择的单层介质有：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO x，其中ZrO2、SiO x相对折射率分别为1.85和1.996，容易满足相位匹配条件，是较为理想的单层抗反射膜材料。

除上述之外，还必须防止光纤端面的反射光导致的光激射。为此，在RSOA出光端面和耦合光纤之间，可设置一个防反射元件，如单轴石英晶体旋光片、光隔离器。对10Gb/s高速直接调制的LD，常在LD和光纤之间放置一个光隔离器，用以防止反射光对LD的影响，但这只对单向传输光有用。RSOA是双向传输器件，不能采用光隔离器，但可采用石英晶体旋光片。

石英晶体旋光片是一种单晶薄片，这种单晶薄片在单偏振光入射时，有旋光作用，其偏转角度与传播方向的晶体薄片厚度有关。如果从RSOA发出的单偏振光进入晶体旋光片后使其偏转45°角，当从光纤端面反射光再进入晶体薄片、再偏转45°角时，则回程光和入射光偏振面成90°。根据光学原理，这种回程光和初始入射光是不会相互作用的，从而避免了反射光引起的激射问题，其测试结果如图5所示。

6.结论

RSOA在光接入网WDM-TDM混合PON中可用作调制式光源或光放大器，具有广泛的使用前景；但使用中可能产生激射现象。其激射幅度与RSOA芯片结构、长度、出光端面剩余反射率、外端面反射和驱动电流大小等有关。要消除RSOA光谱中的激射峰，除了消除RSOA出光端面剩余反射率引起的自激射外，还要消除光纤反射光引起的激射峰。这可在RSOA和耦合光纤之间设置单轴石英晶体旋光片，从而可避免反射光引起的激射。

[1]P.Bousselet,H.Bissessur,J.Lestrade,et al.High Capacity(64 x 43 Gb/s)Unrepeatered Transmission over 440 km,OSA/OFC/NFOEC 2011,2011,3,6-10,美国加州洛杉矶.

[2]U.H.Hong,K.Y.Cho,Y.Takushima,and Y.C.Chung,Maximum Reach of Long-Reach RSOA-Based WDM PON Employing Remote EDFA,OSA/OFC/NFOEC 2011,2011,3,6-10,美国加州洛杉矶.