WDM-TDM混合PON應(yīng)用RSOA中的激射問題研究

武漢華工正源光子技術(shù)有限公司 丁國(guó)慶 周忠華

1.引言

眾所周知，光通信骨干網(wǎng)不斷向更大容量、更高速率、更多波長(zhǎng)方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)途光通信速率已達(dá)40/100Gb/s，總通信容量已超過11Tb/s[1]；而光接入網(wǎng)也不斷向高速、大容量方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)構(gòu)建實(shí)用化光接入網(wǎng)的條件已逐步成熟：2.5Gb/s、10Gb/s的EPOM、GPON行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)業(yè)已制訂；實(shí)用化的光電子器件和IC已基本齊備并基本滿足要求（如FP-LD、ASE、SLD、SOA已開始試用或小規(guī)模試用）；各種不同光接入網(wǎng)先后試驗(yàn)或試運(yùn)行，且各具特色。在構(gòu)建大容量光接入網(wǎng)方案中，WDM-TDM混合型PON具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

WDM-PON為每個(gè)用戶分配一對(duì)專有的波長(zhǎng)，可在任何允許時(shí)間內(nèi)向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)，可進(jìn)行不同速率、不同業(yè)務(wù)種類的服務(wù)，而不影響其它用戶。當(dāng)需要為不同用戶升級(jí)時(shí)，可分別進(jìn)行，而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾；而且增加新用戶，只需要添加新波長(zhǎng)，對(duì)其它用戶帶寬絲毫沒有影響。WDM-PON的這種帶寬和用戶數(shù)量的易升級(jí)性，使之非常方便地支持商業(yè)用戶和家庭用戶，而且由于能提供點(diǎn)到點(diǎn)的連接，使得服務(wù)具有靈活選擇性。

WDO-PON的關(guān)鍵問題，是尋找技術(shù)指標(biāo)滿足要求、工程價(jià)格能承擔(dān)得起的關(guān)鍵光電子器件和微電子器件，其中包括WDM-PON用光放大器：EDFA、半導(dǎo)體光放大器（SOA）——注入鎖模的F-P LD、行波型SOA和RSOA[2]。

與EDFA相比，RSOA具有光譜范圍寬（-3dB譜寬可達(dá)60nm 以上）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成、體積小、使用方便、價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)；與行波型光放大器（TW-SOA）相比，具有小信號(hào)增益大、飽和光功率和輸出光功率高、噪聲指數(shù)較低等特點(diǎn)。但在使用過程中，發(fā)現(xiàn)在較大驅(qū)動(dòng)電流下，RSOA光譜中存在激射峰，這會(huì)降低光信噪比，從而增加誤碼的可能性，這是要著力解決的關(guān)鍵問題。

2.RSOA芯片結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

RSOA芯片結(jié)構(gòu)由襯底、緩沖層、光波導(dǎo)層、應(yīng)變量子阱有源層和表面接觸層等組成，出射光的光波導(dǎo)軸向與端鏡面成角度30°左右；其示意圖如圖1所示，上面為P+電極，下面為N+電極，前面為出光面，鍍?cè)鐾改ぃ槐趁鏋榉垂饷?，鍍?nèi)茨ぁ?/p>

RSOA的工作原理，涉及到有源層原子中外層激發(fā)態(tài)電子與入射光子的相互作用，即在外界注入電流和入射光的作用下，RSOA有源層原子中處于激發(fā)態(tài)的電子，受外來(lái)信號(hào)光誘導(dǎo)作用，發(fā)射相同的光而放大。值得注意的是，這種光放大，與LD中的來(lái)回反射從而產(chǎn)生光增益的機(jī)理有所不同。在結(jié)構(gòu)上，RSOA的兩個(gè)端面，一個(gè)出光面光反射率接近于零，而另一個(gè)端面反射率接近于100%，不形成諧振腔。當(dāng)然，由于工藝水平限制，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進(jìn)入RSOA有源層中，從而產(chǎn)生光波紋或激射。

圖1 R SOA的芯片結(jié)構(gòu)示意圖FIG.1 RSOA chip structure schematic

表1 RSOA芯片的主要技術(shù)參數(shù)（25℃）Table 1 RSOA general technical index （25°C）

圖2 RSOA在TDM-/WDM 混合光PON ONU側(cè)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

圖3 RSOA在TDM-WDM混合PON用作調(diào)制光源示例Fig.3 As a example of RSOA used for the Modulation illuminant in TDM - / WDM mixed PON

RSOA芯片的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

RSOA可以設(shè)計(jì)成偏振相關(guān)或偏振無(wú)關(guān)兩種類型。通常與偏振相關(guān)的RSOA溫度特性好、小信號(hào)增益高。

與EDFA相比，RSOA存在偏振相干性、耦合效率低、容易激射等需要改進(jìn)的地方。

3.RSOA在WDM-TDM混合PON中的應(yīng)用

RSOA的應(yīng)用，主要有兩種方式，即作反射式調(diào)制光源，或作光放大。它在TDM-/WDM 混合PON中的應(yīng)用示例，如圖2、3所示。

4.RSOA使用中的激射問題

從技術(shù)性能上講，希望RSOA有高飽和光功率和大的光信號(hào)增益，又不要產(chǎn)生光激射。要使RSOA飽和光功率和小信號(hào)光增益大，其腔長(zhǎng)就比較長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電流就比較大，這樣有源區(qū)才就能獲得較大的單程光增益。通常，RSOA的腔長(zhǎng)大約是LD腔長(zhǎng)的1.5-3倍，而驅(qū)動(dòng)電流大約是LD的2-5倍。但在這種條件下，則易出現(xiàn)自激射和回光激射。

隨著驅(qū)動(dòng)電流增加，RSOA有源層中的自發(fā)輻射光子誘發(fā)的受激輻射會(huì)逐漸增加；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過某一確定值之后，自發(fā)輻射光子獲得的單程增益如大于腔內(nèi)損耗，RSOA就會(huì)出現(xiàn)自激射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于120mA、而3dB帶寬為55nm、峰值波長(zhǎng)為1.532μm、小信號(hào)增益為10dB時(shí)，無(wú)自激射現(xiàn)象產(chǎn)生；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為142 mA時(shí)，在無(wú)任何輸入射光的情況下，則會(huì)出現(xiàn)自激射；但當(dāng)外界有光信號(hào)輸入時(shí)，則自激射臨界閾值電流將增大到162 mA。這時(shí)加入光信號(hào)時(shí)，除了放大的信號(hào)光之外，還疊加有自激射光。測(cè)量到的RSOA在不同驅(qū)動(dòng)電流下的光譜如圖4所示。

圖4 RSOA在不同驅(qū)動(dòng)電流下、無(wú)光信號(hào)輸入時(shí)自激射光譜圖Fig.4 The RSOA’ laser spectra in different drive current and under no light input signal

圖5 無(wú)激射的RSOA光譜Fig.5 no blaster's RSOA spectrum

圖4表明，在較大驅(qū)動(dòng)電流下，雖無(wú)信號(hào)光輸入，但有自激峰產(chǎn)生。在120、180mA下都存在光自激射現(xiàn)象。在180mA下，自發(fā)輻射譜最高幅度約-40dBm；光信號(hào)增益為18dB左右（光放大信號(hào)幅度由-35 dBm到-17dBm），-3dB下譜寬約18nm；而光激射最大幅度為17dB（從-17dBm到0dBm）。

5.防止RSOA光激射的幾種方法

RSOA使用中存在的光激射現(xiàn)象，主要來(lái)自兩方面：RSOA出光端面的剩余反射引起的自激射和外面（如光纖端面）反射光引起的激射。

對(duì)出光端面的剩余反射，可通過RSOA芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和端面鍍膜解決。通常采用如下兩種方法：

a）斜條腔法

使RSOA出光波導(dǎo)軸向與出光端面成一角度，如在5.5°-33°范圍，使端面反射光不能進(jìn)入有源層并形成反復(fù)放大。

b）鍍制良好的增透膜

在出光端面鍍以單層或多層λ/ 4良好增透膜。通過良好增透膜的消光作用，使膜中的反射光接近于零，從而沒有反射光入射到有源層中。

根據(jù)物理光學(xué)中的多層膜系等效折射率計(jì)算方法，良好增透膜膜系的等效折射率，應(yīng)滿足相位匹配條件，并計(jì)算出各層介質(zhì)厚度。

增透膜中，最簡(jiǎn)單的是制作單層增透膜?？晒┻x擇的單層介質(zhì)有：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO x，其中ZrO2、SiO x相對(duì)折射率分別為1.85和1.996，容易滿足相位匹配條件，是較為理想的單層抗反射膜材料。

除上述之外，還必須防止光纖端面的反射光導(dǎo)致的光激射。為此，在RSOA出光端面和耦合光纖之間，可設(shè)置一個(gè)防反射元件，如單軸石英晶體旋光片、光隔離器。對(duì)10Gb/s高速直接調(diào)制的LD，常在LD和光纖之間放置一個(gè)光隔離器，用以防止反射光對(duì)LD的影響，但這只對(duì)單向傳輸光有用。RSOA是雙向傳輸器件，不能采用光隔離器，但可采用石英晶體旋光片。

石英晶體旋光片是一種單晶薄片，這種單晶薄片在單偏振光入射時(shí)，有旋光作用，其偏轉(zhuǎn)角度與傳播方向的晶體薄片厚度有關(guān)。如果從RSOA發(fā)出的單偏振光進(jìn)入晶體旋光片后使其偏轉(zhuǎn)45°角，當(dāng)從光纖端面反射光再進(jìn)入晶體薄片、再偏轉(zhuǎn)45°角時(shí)，則回程光和入射光偏振面成90°。根據(jù)光學(xué)原理，這種回程光和初始入射光是不會(huì)相互作用的，從而避免了反射光引起的激射問題，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

6.結(jié)論

RSOA在光接入網(wǎng)WDM-TDM混合PON中可用作調(diào)制式光源或光放大器，具有廣泛的使用前景；但使用中可能產(chǎn)生激射現(xiàn)象。其激射幅度與RSOA芯片結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、出光端面剩余反射率、外端面反射和驅(qū)動(dòng)電流大小等有關(guān)。要消除RSOA光譜中的激射峰，除了消除RSOA出光端面剩余反射率引起的自激射外，還要消除光纖反射光引起的激射峰。這可在RSOA和耦合光纖之間設(shè)置單軸石英晶體旋光片，從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,美國(guó)加州洛杉磯.

[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,美國(guó)加州洛杉磯.