电吸收调制器特性研究

税奇军　唐炳华　董赛鹰

摘 要： 针对电吸收调制器在光纤无线通信系统中的重要作用，分析了电吸收调制器的插入损耗和由电吸收调制器组成的光纤无线通信系统的误码率和噪声系数。发现在波长从1 530～1 570 nm 范围内插入损耗都比较小；在工作波长为1 550 nm的通信系统内实现了速率为2.5 Gb/s信号在200 km长度的标准光纤内传输。系统功率衰减很小，在选择合适的匹配阻抗下，通信系统噪声系数能够达到12 dB左右。

关键词： 电吸收调制器； 光纤无线通信系统； 插入损耗； 误码率； 噪声系数

中图分类号： TN761?34； G6420 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0071?02

Research of characteristic of electroabsorption modulator

SHUI Qi?jun， TANG Bing?hua， DONG Sai?ying

（College of Physics and Mechatronic Engineering， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635000， China）

Abstract： In allusion to the important role of electroabsorption modulator in optical wireless communication system， the insertion loss of electroabsorption modulator， and the bit error rate and noise factor of optical wireless communication system composed of electroabsorption modulator are analyzed. It is found that the insertion loss is relatively small in the wavelength range from 1 530 nm to 1 570 nm. In the operating wavelength of 1 550 nm communication system， transmission of the signal at a rate of 2.5 Gb/s in optical fiber of 200 km was realized. Especially， power loss of the system is very small. The noise factor of the communication system is only about 12 dB under the condition of the suitable impedance matching.

Keywords： electroabsorption modulator； optical fiber wireless communication system； insertion loss； BER； noise factor

随着通信系统对带宽的需求越来越宽，光外部调制器由于具有宽带调制特性并且在高频处具有低啁啾和低畸变的特性，所以它在光纤通信系统中发挥巨大的作用。外部调制光纤链路由于具有低的传输损耗并且和微波系统具有高融合性，所以在微波传输系统中也能发挥巨大作用。电吸收调制器由于包含多层量子阱从而具有很大的各向异性电吸收特性，电吸收调制器中偏振保持光纤的慢轴和量子阱层平行并且分布在电吸收调制器的输入和输出端，为了保证电吸收调制器和偏振保持光纤较高的耦合效率，采用非球面透镜和平凸透镜组成共焦系统，电吸收调制器是光通信系统中非常重要的一种光外部调制器[1?2]。

1 插入损耗

对于两束正交偏振的光波，其插入损耗和外加电压有关，电吸收调制器的插入损耗可由式（1）表示[3]：

[Tloss=exp（ΓαminL）] （1）

图1和图2分别描述了两束正交偏振的光波在不同偏置电压下的插入损耗，由图1可以发现电吸收调制器在TM偏振光波长为1 530～1 550 nm范围内插入损耗都比较小，由图2可以发现电吸收调制器在TE偏振光波长为1 560～1 570 nm范围内插入损耗都比较小。电吸收调制器中，对不同波长的耦合损耗变化较小，为了获得较低的插入损耗和较高的调制效率，电吸收调制器可以工作在波长范围为40 nm内，并且将TM偏振光用于波长较短的系统，而TE偏振光用于波长较长的系统。

2 误码率

在发送端将速度为2.5 Gb/s的伪随机序列通过电吸收调制器加载到波长为1 550 nm的光波上，调制光经过掺铒光纤放大器放大之后送入距离为200 km的标准光纤传输（其总的色散为3 400 ps/nm）。为了避免光纤的自相位调制非线性效应，发射光的功率较小。在使用长色散光纤的高速数字传输系统中，其误码率下降的主要是由信号光的频率啁啾和光纤色散所导致的波形畸变所引起的，输出光相位的改变满足如下的关系[4]：

[dφdt=α（VEAM）2?1S（VEAM）?dS（VEAM）dt] （2）

式中：[φ]是输出光的相位；[α（VEAM）]是描述电吸收模块啁啾特性的参数；[VEAM]是电吸收调制器的偏置电压；[S（VEAM）]是光功率。

图3为接收信号在背靠背和光纤距离为200 km的误码率曲线，可以发现在工作波长为1 550 nm的通信系统内实现了速率为2.5 Gb/s信号在200 km长度的标准光纤内传输，系统功率衰减很小，误码率达到了通信系统的要求。

3 三阶交调系数

将电吸收调制器模块的吸收曲线用泰勒级数展开如下[5]：

[TEA（V）=TEA（Vb）+T（1）EA（Vb）?（V-Vb）+12！T（2）EA（Vb）?（V-Vb）2+13！T（3）EA（Vb）?（V-Vb）3+…] （3）

信号电压的表达式为：

[V=Vb+V1cosω1t+V2cosω2t] （4）

将信号电压代入吸收曲线方程，得到三阶交调的幅度为：

[IM3=15！T（5）EA（Vb）?10V41V12+15V21V328cos（2ω1-ω2）t] （5）

由式（5）可以发现三阶交调主要是由吸收曲线方程的五阶导数产生，而五阶导数的值很小，所以电吸收调制器的三阶交调无失真动态范围很宽。

图4描述了三阶交调系数和偏置电压之间的关系，可以发现三阶交调系数很小并且在偏置电压为1.6 V时取得最小值，所以电吸收调制器的三阶交调无失真动态范围很宽，满足通信系统的需求。

光纤通信链路噪声系数满足如下表达式[6]：

[NF=10lg2×Nshot+NRIN+NthermalkTG] （6）

式中：[Nshot]是散粒噪声；[NRIN]是和光源有关的强度噪声；[Nthermal]是和光电探测器有关的热噪声。

图5描述了有匹配阻抗和无匹配阻抗噪声系数曲线，由图5可以发现在选择合适的匹配阻抗下，通信系统噪声系数能够达到12 dB左右，这比无匹配阻抗条件下降低了10 dB左右。

4 结 论

通过对电吸收调制器的结构分析，对电吸收调制器的特性进行了研究，研究发现TM偏振光波长为1 530～1 550 nm范围内插入损耗都比较小，TE偏振光波长为1 560～1 570 nm范围内插入损耗都比较小。工作波长为1 550 nm的通信系统内实现了速率为2.5 Gb/s信号在200 km长度的标准光纤内传输，系统功率衰减很小。在选择合适的匹配阻抗下，通信系统噪声系数能够达到12 dB左右，这比无匹配阻抗条件下降低了10 dB左右，为进一步研究电吸收调制器在现代通信系统中的应用提供了一定的理论参考。

参考文献

[1] TAIRA K， KIKUCHI K， KAWANISHI H， et al. Subpicosecond pulse generation using an electroabsorption modulator and a double?stage pulse compressor [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2003， 15（9）： 1288?1290.

[2] NISHIMURA K， INOHARA R， TSURUSAWA M， et al. 80 Gbit/s wavelength conversion using MQW electroabsorption modulator in delayed?interferometric configuration [J]. Electron Letters， 2003， 39（10）： 792?794.

[3] 高辉.电吸收调制器的数值模拟研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2010.

[4] 刘增基.光纤通信[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[5] KANEKO S， NODA M， MIYAZAKI Y， et al. An electroabsorption modulator module for digital and analog applications [J]. Journal of Lightwave Technol， 1999（4）： 669?676.

[6] 安毓英.光电子技术[M].3版.北京：电子工业出版社，2012.