全双工直接调制激光器光网络单元的优化研究

陈芯蕊,楚广勇,2

(1.江南大学理学院,江苏 无锡 214122；2.江苏省轻工业光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122)

1 引 言

通信系统对数据容量需求的爆炸式增长加速了下一代无源光网络2(NGPON2)的发展[1-2]。受农村地区,远距离办公等里程限制,国际电信联盟(ITU)和电气和电子工程师协会(IEEE)等标准化组织提出了覆盖范围更广的PONs[3-4],大范围网络传输需要光放大器来延长光线路终端(OLT)和光网络单元(ONUs)之间的距离[5]。

选择体积小、使用寿命长、预算低的半导体光放大器(SOA)进行研究,SOA在小尺寸和稍差的放大器性能之间提供了很好的平衡,可以应用于密集光路中与其他器件进行耦合和集成,适合ONU的无色应用[6]。因此,准确地选择输入功率和偏置电流对于确定最佳运行条件以实现基于SOA的所需功能并利用其快速非线性特性是非常重要的。本文对SOA进行优化建模,系统地分析了SOA在不同输入功率和偏置电流下的性能特征,进一步搭建了一个基于SOA与分布反馈(DFB)激光器集成的20 km双向传输通信系统,测试并分析了该系统在通信速率为2.5 Gb/s下的频移键控(FSK)通信性能,有效展示了SOA在实际双向无源光传输网络的一个重要集成无色应用。

2 SOA的理论建模与主要特性

以SOA宽带理论模型为基础,设定经典材料系数和几何参数[7],从能带理论推导引入材料增益因子,考虑放大自发辐射噪声与光信号的相互作用,模拟出一个InP-InGaAsP均匀掩埋脊形SOA。

2.1 SOA的工作结构与原理

SOA的有源波导为InGaAsP,衬底为InP,整体结构如图1所示。泵浦电流为外来光子受激辐射所需的粒子束反转提供能源,让光子在有源区得到增益。有源层周围是低折射率的宽带隙材料,用来提高受激辐射与光子注入效率。输入输出两端涂有抗反射涂层,能减少光腔反射,从而防止自激振荡。有源区掩埋在InP质基底内呈异质结结构,有利于将光束限制在有源区内,提高有源区载流子浓度。这种设计在第三通信窗口中具有出色的散热和光谱响应[8]。

图1 SOA 结构示意图

2.2 SOA的算法流程模型

为方便计算,假设所有偏置电流仅通过有源区且在有源区宽度上呈均匀分布。SOA在空间中被离散化,以便对SOA模型方程实现数值求解。将SOA分成Z个部分,针对每个部分载流子浓度n(i)的相对误差进行迭代判断,初始场和噪声光子密度为0,采用牛顿迭代法求解初始载流子浓度。SOA算法流程如图2所示。

图2 SOA稳态模型算法

将新的载流子浓度减去上一次计算的载流子浓度,如果相对误差大于限定因子φ(φ=10-6),那么采用替归算法n(i)new=(1-γ)n(i)new+γn(i)old。替归系数γ为0.4时,迭代效率较高。继续迭代直到信号场,自发辐射噪声光子密度和载流子浓度迭代的变化率在期望误差的容忍范围内,得到收敛到载流子浓度的最佳值。整个过程使用一组耦合光场传播方程[9]求得信号场和噪声光子密度,根据载流子浓度速率方程[10]来更新载流子浓度。迭代停止后,依次推导增益(Gain)和噪声指数(NF)。

2.3 SOA的模拟结果与特性分析

图3是根据算法模型得到的SOA特性分析图。偏置电流很小而输入光功率很大时,SOA的受激辐射比自发辐射弱,所以会出现增益为负现象,这里不予讨论。

图3 SOA模型的特性分析图

图3(a)是随偏置电流变化而变化的增益和噪声指数分析图。当偏置电流较小时,随注入电流增加,载流子密度增加,SOA增益逐渐增大,此时受激辐射加强,自发辐射的噪声功率相对减弱,噪声指数下降。当偏置电流增加到一定程度,受载流子浓度恢复时间的限制,增益受到抑制从缓慢上升至不变,此时受激辐射趋于稳定,噪声指数基本不变。

图3(b)是随输入功率变化而变化的增益和噪声指数分析图。当输入光功率较小时,消耗的载流子数目较少,SOA能充分放大光信号,受激辐射和自发辐射相应增加,增益和噪声指数基本不变；随着输入光功率的增加,有源区的载流子消耗速率加快,载流子浓度在较低的水平上达到新的平衡,SOA放大能力减弱,从而增益下降[11]。当SOA逐渐饱和时,自发辐射随着输入信号功率的增大而减小,输出信噪比增大,噪声指数减小。随着输入功率的增大,由于光纤非线性效应[12],SOA达到强增益饱和,输出噪声值迅速增大,输出信噪比减小,噪声指数增大。

必须排除两个区域才能实现SOA的最佳性能。如果信号的输入功率太低(Pi<-20 dBm),与信号光子速率相比,噪声光子速率相当高,信号以小信号增益放大,但不会达到高输出功率水平。与信号输出功率接近饱和的情况相比,噪声的输出更多。而高输入功率的信号(Pi>0 dBm)是低增益放大,放大器会增加噪声。在这两个边界之间,对于中等或高偏置电流,可以获得低分贝的噪声指数,保证工作在透明阈值以上,SOA在这个区间内实现最佳性能。从图3(b)可得Pi= -20 dBm,Ibias=100 mA 是最佳相位调制点,Pi=-5 dBm,Ibias=100 mA 是最佳幅度调制点。

图4(a)、(b)展示了在输入功率为-20 dBm和 -5 dBm时,SOA在不同偏置电流下的增益平坦度。在1540 nm到1560 nm之间,模拟的SOA增益平坦性良好,噪声指数较低,能满足基于SOA的各种应用需求,可作放大器、调制器、光开关等用途[13-14]。随偏置电流的增加,不同波长间的增益方差变小,增益平坦度增加。

3 DFB-SOA在双向光传输网络的应用

DFB激光器采用折射率周期性变化的结构实现谐振腔的反馈,通过直接调制产生频率调制或频移键控信号,有着高输出功率和优秀的单纵模特性,受到国内外的广泛关注与研究[15-16]。将SOA与DFB激光器集成,SOA能放大DFB的光信号,补偿信号通过光纤传播时的衰减,扩大PON的延展范围。

图4 SOA模型的增益平坦度曲线

3.1 基于DFB-SOA的20 km 2.5 Gb/s双向传输的设计和分析

图5显示了在2.5 Gb/s数据速率下,使用伪随机二进制序列(PRBS)测量以DFB-SOA激光器为上行发射机的20 km双向传输网络性能的实验框架。下行传输在OLT使用外调制,PRBS经过标准不归零脉冲(NRZ)发生器转换为电信号,通过马赫-曾德尔调制器(MZM)加载到连续光波上,成为入纤所需的载有 “信息”的光信号。通过20 km标准单模光纤(SSMF)传输后,光信号通过光电探测器和均衡滤波器转换成低噪声电信号。最后,从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。上行传输是在ONU使用直接调制,数据信号通过DFB-SOA集成激光器内调制加载到光载波上,DFB激光器的泵浦电流为120 mA,峰峰值电流为50 mA,SOA的增益为25 dB,噪声指数为8 dB,其他与下行传输结构一致。

3.2 基于DFB-SOA的20 km 2.5 Gb/s双向传输结果与讨论

图6(a)(b)显示了2.5 Gb/s的单向传输在单模光纤为0和20 km两种情况下的传输误码率(BER)与接收光功率的关系。前向误码率为2.4×10-4时[17],单向上行传输在背对背(BTB)的灵敏度为 -23.4 dBm,在20 km的灵敏度为 -22.7 dBm；单向下行传输在BTB的灵敏度为 -32.2 dBm,在20 km的灵敏度为 -31.6 dBm。

ODN-光分配网络; CW Laser-连续波激光器; C1,C2-循环器; VOA-可变光衰减器; PIN-PIN 二极管; TIA-跨阻抗放大器

图6(c)为基于DFB-SOA的双向传输在单模光纤为0和20 km两种情况下的系统通信误码率测试结果。在通信速率为2.5 Gb/s,前向误码率为2.4×10-4的条件下,BTB传输的上行灵敏度为 -23.1 dBm,下行灵敏度为 -31.7 dBm。经过20 km光纤传输后的上行灵敏度为 -22.4 dBm,下行灵敏度为 -31.4 dBm。

与BTB的双向传输相比,20 km的双向上游功率损耗为 0.7 dB,双向下游功率损耗为 0.3 dB,证明20 km的光纤色散对整个系统产生的影响很小。同20 km的单向传输相比,瑞利后向散射会限制光接入网的接收灵敏度,20 km的双向上游的功率损耗为 0.3 dB,双向下游的功率损耗为 0.2 dB,瑞利后向散射对此系统的影响不大。

图6 基于DFB-SOA的2.5 Gb/s单向与双向光传输网络的误码率分析图

4 结 论

本文通过算法建模优化了实际SOA的工作性能,系统的测试并分析了影响SOA增益与噪声指数的诸多因素。测试结果表明SOA在1540 nm到1560 nm的增益平坦度良好,可满足基于SOA的不同功能需求,该SOA的最佳幅度调制点是输入功率为-5 dBm,偏置电流为100 mA,最佳相位调制点是输入功率为-20 dBm,偏置电流为100 mA。将SOA与DFB激光器集成放入20 km 2.5 Gb/s双向无源光网络的ONU中作上行信号源,前向误码率为2.4×10-4时,双向传输的上行下行灵敏度分别可达到-22.4 dBm与-31.4 dBm,光纤色散与瑞利后向散射对此系统的影响很小,为今后SOA在实际ONU端的优化设计提供了理论指导。