電吸收調(diào)制器特性研究

稅奇軍　唐炳華　董賽鷹

摘 要： 針對電吸收調(diào)制器在光纖無線通信系統(tǒng)中的重要作用，分析了電吸收調(diào)制器的插入損耗和由電吸收調(diào)制器組成的光纖無線通信系統(tǒng)的誤碼率和噪聲系數(shù)。發(fā)現(xiàn)在波長從1 530～1 570 nm 范圍內(nèi)插入損耗都比較小；在工作波長為1 550 nm的通信系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了速率為2.5 Gb/s信號在200 km長度的標(biāo)準(zhǔn)光纖內(nèi)傳輸。系統(tǒng)功率衰減很小，在選擇合適的匹配阻抗下，通信系統(tǒng)噪聲系數(shù)能夠達(dá)到12 dB左右。

關(guān)鍵詞： 電吸收調(diào)制器； 光纖無線通信系統(tǒng)； 插入損耗； 誤碼率； 噪聲系數(shù)

中圖分類號： TN761?34； G6420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

隨著通信系統(tǒng)對帶寬的需求越來越寬，光外部調(diào)制器由于具有寬帶調(diào)制特性并且在高頻處具有低啁啾和低畸變的特性，所以它在光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。外部調(diào)制光纖鏈路由于具有低的傳輸損耗并且和微波系統(tǒng)具有高融合性，所以在微波傳輸系統(tǒng)中也能發(fā)揮巨大作用。電吸收調(diào)制器由于包含多層量子阱從而具有很大的各向異性電吸收特性，電吸收調(diào)制器中偏振保持光纖的慢軸和量子阱層平行并且分布在電吸收調(diào)制器的輸入和輸出端，為了保證電吸收調(diào)制器和偏振保持光纖較高的耦合效率，采用非球面透鏡和平凸透鏡組成共焦系統(tǒng)，電吸收調(diào)制器是光通信系統(tǒng)中非常重要的一種光外部調(diào)制器[1?2]。

1 插入損耗

對于兩束正交偏振的光波，其插入損耗和外加電壓有關(guān)，電吸收調(diào)制器的插入損耗可由式（1）表示[3]：

[Tloss=exp（ΓαminL）] （1）

圖1和圖2分別描述了兩束正交偏振的光波在不同偏置電壓下的插入損耗，由圖1可以發(fā)現(xiàn)電吸收調(diào)制器在TM偏振光波長為1 530～1 550 nm范圍內(nèi)插入損耗都比較小，由圖2可以發(fā)現(xiàn)電吸收調(diào)制器在TE偏振光波長為1 560～1 570 nm范圍內(nèi)插入損耗都比較小。電吸收調(diào)制器中，對不同波長的耦合損耗變化較小，為了獲得較低的插入損耗和較高的調(diào)制效率，電吸收調(diào)制器可以工作在波長范圍為40 nm內(nèi)，并且將TM偏振光用于波長較短的系統(tǒng)，而TE偏振光用于波長較長的系統(tǒng)。

2 誤碼率

在發(fā)送端將速度為2.5 Gb/s的偽隨機(jī)序列通過電吸收調(diào)制器加載到波長為1 550 nm的光波上，調(diào)制光經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大之后送入距離為200 km的標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸（其總的色散為3 400 ps/nm）。為了避免光纖的自相位調(diào)制非線性效應(yīng)，發(fā)射光的功率較小。在使用長色散光纖的高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，其誤碼率下降的主要是由信號光的頻率啁啾和光纖色散所導(dǎo)致的波形畸變所引起的，輸出光相位的改變滿足如下的關(guān)系[4]：

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

式中：[φ]是輸出光的相位；[α（VEAM）]是描述電吸收模塊啁啾特性的參數(shù)；[VEAM]是電吸收調(diào)制器的偏置電壓；[S（VEAM）]是光功率。

圖3為接收信號在背靠背和光纖距離為200 km的誤碼率曲線，可以發(fā)現(xiàn)在工作波長為1 550 nm的通信系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了速率為2.5 Gb/s信號在200 km長度的標(biāo)準(zhǔn)光纖內(nèi)傳輸，系統(tǒng)功率衰減很小，誤碼率達(dá)到了通信系統(tǒng)的要求。

3 三階交調(diào)系數(shù)

將電吸收調(diào)制器模塊的吸收曲線用泰勒級數(shù)展開如下[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）

信號電壓的表達(dá)式為：

[V=Vb+V1cosω1t+V2cosω2t] （4）

將信號電壓代入吸收曲線方程，得到三階交調(diào)的幅度為：

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

由式（5）可以發(fā)現(xiàn)三階交調(diào)主要是由吸收曲線方程的五階導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生，而五階導(dǎo)數(shù)的值很小，所以電吸收調(diào)制器的三階交調(diào)無失真動(dòng)態(tài)范圍很寬。

圖4描述了三階交調(diào)系數(shù)和偏置電壓之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)三階交調(diào)系數(shù)很小并且在偏置電壓為1.6 V時(shí)取得最小值，所以電吸收調(diào)制器的三階交調(diào)無失真動(dòng)態(tài)范圍很寬，滿足通信系統(tǒng)的需求。

光纖通信鏈路噪聲系數(shù)滿足如下表達(dá)式[6]：

[NF=10lg2×Nshot+NRIN+NthermalkTG] （6）

式中：[Nshot]是散粒噪聲；[NRIN]是和光源有關(guān)的強(qiáng)度噪聲；[Nthermal]是和光電探測器有關(guān)的熱噪聲。

圖5描述了有匹配阻抗和無匹配阻抗噪聲系數(shù)曲線，由圖5可以發(fā)現(xiàn)在選擇合適的匹配阻抗下，通信系統(tǒng)噪聲系數(shù)能夠達(dá)到12 dB左右，這比無匹配阻抗條件下降低了10 dB左右。

4 結(jié) 論

通過對電吸收調(diào)制器的結(jié)構(gòu)分析，對電吸收調(diào)制器的特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)TM偏振光波長為1 530～1 550 nm范圍內(nèi)插入損耗都比較小，TE偏振光波長為1 560～1 570 nm范圍內(nèi)插入損耗都比較小。工作波長為1 550 nm的通信系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了速率為2.5 Gb/s信號在200 km長度的標(biāo)準(zhǔn)光纖內(nèi)傳輸，系統(tǒng)功率衰減很小。在選擇合適的匹配阻抗下，通信系統(tǒng)噪聲系數(shù)能夠達(dá)到12 dB左右，這比無匹配阻抗條件下降低了10 dB左右，為進(jìn)一步研究電吸收調(diào)制器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一定的理論參考。

參考文獻(xiàn)

[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] 高輝.電吸收調(diào)制器的數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2010.

[4] 劉增基.光纖通信[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)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.光電子技術(shù)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.