TDM-PON上行信號光功率均衡器的鎖模特性

陳曉文

TDM-PON上行信號光功率均衡器的鎖模特性

陳曉文1，2

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福州350003；2.萬能科技大學(xué)工程與電子學(xué)院，中壢32061）

為了減小時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）上行信號光波長的飄移，基于TDM-PON上行信號光功率均衡器架構(gòu)，采用單模激光注入鎖定光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）法布里-珀羅（F-P）激光器（LD）方法，研究了F-P LD輸出光波長的鎖模特性，包括鎖模的范圍、驅(qū)動電流對鎖模特性的影響、鎖模前后溫度變化引起F-P LD光波長變化情況等。結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動電流為9mA時(shí)，F(xiàn)-P LD可被鎖模的波長范圍為0.38nm，大于ONU上行光波長因環(huán)境溫度變化5℃而產(chǎn)生的波長位移量0.25nm，F(xiàn)-P LD被鎖模可使ONU上行信號的光波長相同且穩(wěn)定，降低光功率均衡后的噪聲。

光通信；光功率均衡；光注入鎖定；法布里-珀羅激光器；分布反饋半導(dǎo)體激光器

［8］中的方法，其關(guān)鍵是單模激光注入鎖定各用戶端F-P LD上行光波長。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果沒有鎖模，光功率均衡器輸出光強(qiáng)會突然變小，光輸出眼圖張開程度變小、噪聲大，不能有效地傳輸信號?；赥DM-PON上行信號光功率均衡器架構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)研究單縱模激光波長增減變化能注入鎖定FP LD光波長的范圍，驅(qū)動電流對鎖模特性的影響，鎖模前后溫度變化引起F-P LD光波長變化情況。

1 光注入鎖模原理

圖1所示是TDM-PON之ONU上行信號的光功率均衡器架構(gòu)圖，LD1用作光功率均衡，其驅(qū)動電流略低于F-P LD臨界電流，1490nm LD用于下行信號光發(fā)射機(jī)，分布反饋式（distributed feedback，DFB）激光器作為各ONU的外部注入光源。由于F-P LD溫度效應(yīng)特性，輸出的模態(tài)會因升溫而往長波長移動，使ONU上行信號波長發(fā)生漂移，為了不使它移動，在局端OLT中，1310nm的分布反饋式激光器輸出單縱模激光，經(jīng)光纖傳輸至遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)處，單縱模激光于遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)處由光環(huán)形器第一光纖輸入，從光環(huán)形器第二光纖輸出注入每個(gè)ONU之F-P LD，鎖定后從光環(huán)形器第三光纖輸出同一穩(wěn)定波長光，避免不同ONU的上行信號光波長不一或因溫度效應(yīng)而發(fā)生漂移。遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)處DFB LD單縱模激光注入鎖定ONU之F-P LD示意圖如圖2所示。

Fig.1 Architecture with power equalization of the upstream traffic in a TDM-PON structure

Fig.2 Schematic diagram of the injection-locked F-P LD

當(dāng)DFB LD單縱模激光與F-P LD的模態(tài)相互對應(yīng)，外部注入的單模光將影響激光介質(zhì)的增益與折射率分布，使其可于激光共振腔中共振放大，獲得激光介質(zhì)的大部分功率，其它模態(tài)的光強(qiáng)度將被大幅抑制，邊模抑制比大增（大于40dB），F(xiàn)-P LD輸出與原來DFB LD光譜類似的單縱模激光。圖3為光環(huán)形器第三光纖鎖模前后輸出的光譜圖，由光譜變化可知，F(xiàn)-P LD模態(tài)被鎖定后有單縱模激光輸出。

Fig.3 Spectrogram comparison with and without mode-locking by injection of F-P LD

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

圖2中，用可調(diào)諧激光器來代替單縱模外部注入光源，方便調(diào)整其光波長以進(jìn)行光注入鎖模。由于1310nm設(shè)備與器件一般實(shí)驗(yàn)室多不具備，為了實(shí)驗(yàn)的方便，實(shí)驗(yàn)中所采用F-P LD的波長為1550nm，其臨界電流為9.3mA，所用驅(qū)動電流為9mA與15mA，分別代表光功率均衡器與ONU端法布里-珀羅激光器的操作條件。以下是F-P LD在驅(qū)動電流為9mA與15mA時(shí)，分別執(zhí)行單縱模光注入鎖模實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖4與圖5分別是驅(qū)動電流9mA時(shí)單縱模光波長遞減與遞增的鎖模光譜圖，此時(shí)F-P LD被鎖模前的初始模態(tài)波長是1549.55nm。圖6與圖7分別是驅(qū)動電流15mA時(shí)單縱模光波長遞減與遞增的鎖模光譜圖，此時(shí)F-P LD被鎖模前的初始模態(tài)波長是1549.60nm。

Fig.4 Spectrograms of the mode-locking with decreasing wavelengths of injected single longitudinal mode when the drive current of F-P LD is 9mA

Fig.5 Spectrograms of the mode-locking with increasing wavelengths of injected single longitudinal mode when the drive current of F-P LD is 9mA

Fig.6 Spectrograms of the mode-locking with decreasing wavelengths of injected single longitudinal mode when the drive current of F-P LD is 15mA

Fig.7 Spectrograms of the mode-locking with increasing wavelengths of injected single longitudinal mode when the drive current of F-P LD is 15mA

根據(jù)以上各圖，可得出以下結(jié)論。

（1）外部注入光波長與F-P LD的初始模態(tài)波長越接近，邊模抑制比越大，可達(dá)鎖模的外部注入光強(qiáng)度也可越小。

（2）外部注入光由波長遞減與波長遞增鎖模范圍不同，外部注入光由波長遞減要比波長遞增有更大的鎖模范圍。如驅(qū)動電流9mA時(shí)，波長遞減時(shí)鎖模范圍為0.3nm，波長遞增時(shí)鎖模范圍為0.08nm。

（3）驅(qū)動電流超過F-P LD臨界電流時(shí)，外部注入光波長與F-P LD的初始模態(tài)相同時(shí)，會有類似五指山峰的頻譜輸出，而不是類似單縱模的頻譜輸出。

（4）驅(qū)動電流越大，F(xiàn)-P LD各模態(tài)的光強(qiáng)大，不容易被外注入光鎖定，F(xiàn)-P LD可被鎖模的范圍越小。驅(qū)動電流15mA時(shí)，F(xiàn)-P LD可被鎖模的范圍為0.16nm；驅(qū)動電流9mA時(shí)，F(xiàn)-P LD可被鎖模的范圍為0.38nm。

器件的溫度上升，會使激光器材料的折射率和帶隙發(fā)生變化，導(dǎo)致光諧振腔尺寸增大，帶隙變窄，使激光器輸出光的峰值波長隨溫度升高向長波長方向漂移。以DFB LD為外部注入光源來鎖定各用戶端F-P LD的上行光波長，可以避免因用戶溫度環(huán)境不同而使上行光波長有所差異。圖8是F-P LD被外部單縱模注入光鎖模前后于不同溫度下的輸出光波長變化，其中三角形記號為F-P LD未被外部注入光鎖模的特定模態(tài)波長變化，溫度由23.15℃升高至27.15℃，模態(tài)波長位移量為0.25nm。以相同的條件來測試，F(xiàn)-P LD被外部單縱模鎖模后的輸出波長（實(shí)心圓記號處）變化接近于0。

Fig.8 The variation of F-PLD output wavelength before and after modelocking at different temperatures

3 結(jié) 論

外部單縱模光注入鎖定F-P LD模態(tài)，可使F-P LD輸出類似單縱模光譜。要使F-P LD輸出較好的鎖模光譜圖，驅(qū)動電流不能高于F-P LD臨界電流，驅(qū)動電流越大，F(xiàn)-P LD可被鎖模的范圍越小，實(shí)際應(yīng)用時(shí)驅(qū)動電流可采用略小于臨界電流。要獲得較大的鎖模范圍，外部注入單縱模光應(yīng)由波長遞減對F-P LD進(jìn)行鎖模，并且外部注入光波長與F-P LD的初始模態(tài)波長越接近越容易鎖模。當(dāng)溫度變化時(shí)，被外部單縱模光鎖模后F-P LD輸出的光波長基本不變，可以避免因用戶溫度環(huán)境不同而導(dǎo)致上行光波長不同。當(dāng)驅(qū)動電流略小于臨界電流時(shí)，F(xiàn)-P LD可被鎖模的波長范圍為0.38nm，大于ONU上行光波長因環(huán)境溫度變化5℃而產(chǎn)生的波長位移量0.25nm，即當(dāng)環(huán)境溫度變化在5℃之內(nèi)，ONU之F-P LD可被外部單縱模光注入鎖定。

參考文獻(xiàn)

［1］ LEE C H，SORIN W V，KIM B Y.Fiber to the home using a PON infrastructure［J］.Journal of Lightwave Technology，2006，24（12）：4568-4573.

［2］ EFFENBERGER F，EL-BAWAB T S.Passive optical networks（PONs）：past，present，and future［J］.Optical Switching and Networking，2009，6（3）：143-150.

［3］ DHAINIA R，HO P H，SHEN G X.Toward green next-generation passive optical networks［J］.IEEE Communications Magazine，2011，49（11）：94-101.

［4］ YOUNGIL P，CHUNGHWAN L，INKWUN J.ONU power equalization of ethernet PON systems［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2004，16（8）：1984-1986.

［5］ LING Y，QIU K，ZHANG W，et al.Optical power equalization using Fabry-Perot semiconductor optical amplifier［J］.Chinese Optics Letters，2006，4（12）：690-693.

［6］ VERHULST D，BAUWELINCK J，MARTENSY，et al.A fast and intelligent automatic power control for a GPON burst-mode optical transmitter［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2005，17（11）：2439-2441.

［7］ YEH C H，HSU D Z，CHIS.Upstream power equalization in a gigabit passive optical network［J］.Optics Express，2007，15（8）：5191-5195.

［8］ CHEN XW，CHENG E.An optical power equalization ofupstream traffic in TDM-PON［J］.Journal of Xiamen University，2012，51（5）：829-833（in Chinese）.

［9］ KOU R，YAMADA K，TSUCHIZAWA T，et al.Fast-response，wide-dynamic-range optical equalisation based on silicon photonic platform［J］.Electronics Letters，2010，46（25）：1683-1685.

［10］ HUANG LR，HONGW，JIANGG Y.All-optical power equalization based on a two-section reflective semiconductor optical amplifier［J］.Optics Express，2013，21（4）：4598-4611.

［11］ LIU D，NGO N Q，LIU H，et al.Stable multiwavelength fiber ring laser with equalized power spectrum based on a semiconductor optical amplifier［J］.Optics Communications，2009，282（8）：1598-1601.

［12］ PATO SV，MELEIROR，F(xiàn)ONSECA D，et al.All-optical burstmode power equalizer based on cascaded SOAs for 10Gb／s EPONs［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20（24）：2078-2080.

［13］ ISMAIL A，SEZGINER S，F(xiàn)IORINA J，et al.A simple and robust equal-power transmit diversity scheme［J］.IEEE Communications Letters，2011，15（1）：37-39.

M ode-locking characteristics of TDM-PON upstream traffic optical power equalizers

CHEN Xiaowen1，2
（1.Department of Electronic Engineering，F(xiàn)ujian Polytechnic of Information Technology，F(xiàn)uzhou 350003，China；2.College of Engineering and Electronic Information，Vanung University，Zhongli32061，China）

In order to reduce the wavelength drift of the time division multiplexing passive optical network（TDMPON）upstream traffic，based on a architecture with optical power equalization of the upstream traffic in a TDM-PON，using single mode laser injection locking Fabry-Perot laser diode（F-P LD）of optical network unit（ONU），the mode-locking characteristics of Fabry-Perot output laser wavelength was discussed，such as the range of injection-locking，the influence of driving current on mode-locking characteristics，the influence of temperature variation on the wavelength with or without injection-locking.The results show that，for such a laser，when the driving current is 9mA，the injection-locking wavelength range is 0.38nm which is larger than the 0.25nm upstream wavelength drift of the ONU caused by the 5℃change of environmental temperature.The identical and stable wavelength of the ONU upstream traffic and the low noise after the optical power equalization were achieved by the injection-locking F-P LD.

optical communications；optical power equalization；optical injection-locked；Fabry-Perot laser diode； distributed feedback semiconductor laser

TN929.11

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.027

引 言

1001-3806（2014）01-0124-04

中國臺灣省“經(jīng)濟(jì)部”科技專案計(jì)劃資助項(xiàng)目（7301XS2410）

陳曉文（1968-），女，副教授，主要從事光學(xué)與電子信息方面的研究。

E-mail：351335889＠qq.com

2013-06-13；

2013-07-03

目前實(shí)現(xiàn)光纖到家最受歡迎的方法是采用成本低廉的無源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）［1-2］。一個(gè)無源光網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)位于局端的光線路終端（optical line termination，OLT）和多個(gè)位于用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元（optical network unit，ONU）［3］。在無源光網(wǎng)絡(luò)中，因每個(gè)用戶端到局端的距離不一樣，造成上行光信號光功率大小不同，因此，局端必須用突發(fā)模式光接收機(jī)接收ONU的上傳信號，導(dǎo)致局端OLT設(shè)計(jì)復(fù)雜度上升，且ONU實(shí)際可用帶寬下降。為此，參考文獻(xiàn)［4］～參考文獻(xiàn)［13］中研究了用不同方法實(shí)現(xiàn)光功率均衡。參考文獻(xiàn)［7］中采用上行光注入于工作在臨界電流以下的法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）二極管激光器（laser diode，LD）來實(shí)現(xiàn)光功率均衡，本方法要求ONU上行信號的光波長相同且穩(wěn)定，實(shí)際上用戶端ONU上傳光波長容易因溫度效應(yīng)而飄移，當(dāng)注入光波長差超過0.08nm時(shí)，信號將產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲。參考文獻(xiàn)［8］中對參考文獻(xiàn)［7］中的方法進(jìn)行了改進(jìn)，在時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（time division multiplexing passive optical network，TDM-PON）上行光注入F-P LD前，用單模激光注入用戶端ONU，鎖定各用戶端F-P LD上行光波長，使ONU上行光波長不會因溫度效應(yīng)而飄移，有效降低光功率均衡后的直流噪聲。