基于DFB-EAM的40Gbit/s可集成光網(wǎng)絡(luò)單元全雙工測試

鄭 楓，陳芯蕊，楚廣勇*

(1.江南大學 理學院，無錫 214122；2.江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，無錫 214122)

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展趨向多元化，互聯(lián)網(wǎng)的普及率也在逐年增加[1]。面對市場需求的迅速增長，通信骨干網(wǎng)的速率已得到很大的提升，達到Tbit/s級，基本能滿足新興業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，但作為電信網(wǎng)絡(luò)的末端“最后1km”的接入網(wǎng)系統(tǒng)，速率沒有明顯的提升，這直接制約著用戶最終的接入速率和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，其解決方案成為了日益關(guān)注的焦點[2-3]。雖然目前接入網(wǎng)速率可滿足5G的1Gbit/s需求，但隨著對8K超清視頻、醫(yī)療健康、自動駕駛等技術(shù)需求的提高，接入網(wǎng)可能無法應(yīng)對未來幾年的網(wǎng)絡(luò)需求[4]。

由于接入網(wǎng)系統(tǒng)對成本的敏感性要求，構(gòu)建一個簡化、低成本的光網(wǎng)絡(luò)單元成為了決定其大規(guī)模部署的必要因素。CHEN團隊搭建了一個集成了直接調(diào)制激光器和半導體光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)[5]的20km雙向傳輸通信系統(tǒng)，測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有良好的性能[6]，但直接調(diào)制激光器的調(diào)制效果在高傳輸速率下受頻率啁啾限制[7]。電吸收調(diào)制器(electro-absorption modulator,EAM)具有可集成、體積小、驅(qū)動電壓低、低頻率啁啾等優(yōu)良特性[8]，使它與激光器的集成光源模塊成為接入網(wǎng)系統(tǒng)的理想光源之一[9-11]。為了兼顧接入網(wǎng)的特點和傳輸速率，本文作者在前期研究基礎(chǔ)上[6,12],將傳輸速率提升到40Gbit/s,并以EAM作為上行發(fā)射機的外調(diào)制器，搭建了以可集成分布式反饋(distributed feedback,DFB)-EAM器件為上行光發(fā)送單元的雙向通信系統(tǒng)，分別測試了該系統(tǒng)在直接檢測方案和相干檢測方案下的傳輸性能。

1 EAM的原理與特性

EAM是一種PIN半導體節(jié)型器件，它基于Franz-Keldysh效應(yīng)和量子約束Stark效應(yīng)[13]的共同作用使材料吸收光譜發(fā)生變化，通過改變偏壓大小影響材料的吸收波長，從而實現(xiàn)光調(diào)制。EAM對光的吸收會隨著其反偏電壓的增加而呈非線性增大，從而使入射光的透過率與反偏電壓呈現(xiàn)出特定關(guān)系，可以利用這種特性對光波進行調(diào)制輸出光脈沖。研究了電吸收調(diào)制器在輸入光波長為1569.59nm、輸入光功率為-5dBm時，EAM反向電壓和輸出光功率之間的關(guān)系，確定了EAM調(diào)制信號峰峰值為2V時的反向偏置電壓。

EAM產(chǎn)生光脈沖的原理如圖1所示。EAM對入射光的吸收隨著反向電壓的增加而非線性增加，給EAM施加適當?shù)姆聪蛑绷麟妷汉万?qū)動電壓，使得EAM的透過率隨著驅(qū)動電壓的變化而波動，DFB激光器發(fā)出的連續(xù)光波(continuous wave,CW)經(jīng)EAM調(diào)制，在反向直流電壓與驅(qū)動電壓作用下可產(chǎn)生光脈沖輸出，脈沖輸出的重復率等于驅(qū)動電壓重復率[14]。

Fig.1 Structure diagram of EAM generating optical pulse

圖2是EAM在輸入激光功率為-5dBm、波長為1569.59nm的情況下，EAM的輸出光功率與其反偏電壓之間的變化曲線。橫軸表示反向電壓值，縱軸表示輸出光的功率值。在電壓處于0V～2V時，隨著偏置電壓的增加，輸出光功率減小；當電壓大于2V，輸出光功率很小并且不再變化。當調(diào)制信號的峰峰值為2V，直流偏置電壓取1V，EAM工作在圖2中所示的透過區(qū)，能獲得良好的調(diào)制效果[15]。

Fig.2 Relation curve between EAM reverse bias voltage and output power

2 EAM在雙向光傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

2.1 40Gbit/s直接檢測雙向傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

圖3顯示了在40Gbit/s數(shù)據(jù)速率下，使用偽隨機二進制序列(pseudo random binary sequence,PRBS)測量以DFB和EAM為上行發(fā)射機的5km雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的實驗框架。下行傳輸采用連續(xù)激光器和標準幅度調(diào)制器(amplitude modulator,AM)為發(fā)射機，PRBS經(jīng)過標準不歸零(non return to zero,NRZ)脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再通過AM加載至1552.12nm波長的連續(xù)光波上，成為入纖所需的帶有信息的光信號，經(jīng)過5km的單模光纖(single mode fiber,SMF)傳輸，在光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit,ONU)通過PIN光電二極管將其轉(zhuǎn)換為電信號，再通過均衡濾波器轉(zhuǎn)換成低噪聲電信號，最終從誤比特率(bit error rate,BER)分析儀檢測獲得輸出信號的誤比特率。上行傳輸采用DFB和EAM作為發(fā)射機，光源波長為1569.59nm，其它結(jié)構(gòu)與下行一致。圖3中，ODN(optical distribution network)為光分配網(wǎng)絡(luò)；C1和C2為循環(huán)器;VOA(variable optical attenuator)為可變光衰減器;TIA(trans impedance amplitier)為跨阻抗放大器;OLT(optical line terminal)為光線路終端。

Fig.3 Structure diagram of 40Gbit/s direct detection bidirectional transmission system

2.2 直接檢測雙向傳輸系統(tǒng)的性能分析與討論

圖4顯示了40Gbit/s直接檢測單向傳輸系統(tǒng)在單模光纖長度分別為0km和5km兩種情況下傳輸誤比特率和接收光功率的關(guān)系。在誤比特率為2.4×10-4的標準前向糾錯(forward error correction,FEC)下[16]，單向下行鏈路在背對背(back to back,BTB)的接收靈敏度為-20.55dBm，在光纖長度為5km時接收靈敏度為-19.13dBm。單向上行鏈路在BTB傳輸?shù)慕邮侦`敏度為-20.51dBm，在光纖長度為5km距離傳輸?shù)慕邮侦`敏度為-18.18dBm。

Fig.4 Bit error rate of unidirectional transmission in direct detection systema—downstream b—upstream

圖5為雙向傳輸系統(tǒng)在單模光纖為0km和5km兩種情況下的系統(tǒng)通信誤比特率測試結(jié)果。在傳輸速率為40Gbit/s、前向誤比特率為2.4×10-4時，BTB傳輸?shù)南滦墟溌沸盘柦邮侦`敏度為-20.41dBm，上行鏈路信號的接收靈敏度為-20.45dBm；在5km距離的傳輸中，下行鏈路信號的接收靈敏度為-18.31dBm，上行鏈路信號的接收靈敏度為-17.94dBm。

一般來說，與5km的單向傳輸系統(tǒng)相比，單纖雙向傳輸系統(tǒng)中的瑞利后向散射會限制接收端的接收靈敏度[17]，但結(jié)果表明，在5km的雙向傳輸中，上游功率損耗為0.24dB,而雙向下游的功率損耗為0.82dB，說明瑞利后向散射對系統(tǒng)的影響較小。與BTB雙向傳輸?shù)那闆r下相比，5km的雙向上游功率損耗為2.51dB，雙向下游功率損耗為2.10dB，這說明5km的光纖色散對整個系統(tǒng)的影響較大。

Fig.5 Bit error rate of bidirectional transmission in direct detection systema—downstream b—upstream

2.3 40Gbit/s相干檢測雙向傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

圖6是在40Gbit/s傳輸速率下，以內(nèi)差檢測[18]方案為上下行接收機的雙向傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。上下行的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)與直接檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一致，接收端都采用功率為3dB的DFB激光器作為本征光源。在接收端，經(jīng)過光纖傳輸?shù)男盘柟馀c本征光耦合干涉后，通過PIN光電二極管將其轉(zhuǎn)換為電信號，最后經(jīng)均衡濾波器和誤比特率分析儀得到傳輸誤比特率。

Fig.6 Structure diagram of 40Gbit/s coherent detection bidirectional transmission system

2.4 相干檢測雙向傳輸系統(tǒng)的性能分析與討論

圖7顯示了40Gbit/s相干檢測單向傳輸系統(tǒng)在單模光纖長度分別為0km和5km兩種情況下傳輸誤比特率和接收光功率的關(guān)系。在誤比特率為2.4×10-4的FEC級別下，單向下行鏈路在BTB和5km距離傳輸?shù)慕邮侦`敏度分別為-33.42dBm和-32.28dBm，單向上行鏈路在BTB和5km傳輸?shù)慕邮侦`敏度分別達到了-33.92dBm和-31.88dBm。

Fig.7 Bit error rate of unidirectional transmission in coherent detection systema—downstream b—upstream

圖8顯示了40Gbit/s相干檢測雙向傳輸系統(tǒng)在單模光纖長度分別為0km和5km兩種情況下傳輸誤比特率和接收光功率的關(guān)系。在誤比特率為2.4×10-4的FEC級別下，雙向下行鏈路在BTB和5km距離傳輸接收靈敏度分別為-34.35dBm和-32.51dBm，雙向上行鏈路在BTB和5km距離傳輸接收靈敏度分別達到了-34.30dBm和-29.76dBm。

Fig.8 Bit error rate of bidirectional transmission in coherent detection systema—downstream b—upstream

直接檢測和相干檢測的系統(tǒng)誤比特率都隨著接收功率的減小呈增加趨勢；但在相干檢測系統(tǒng)中，由于發(fā)射端光源和本征光源相位差具有隨機性，誤比特率曲線鄰點間出現(xiàn)了接收功率減小、誤比特率也減小的現(xiàn)象，可在接收端設(shè)計鎖相環(huán)來減少該現(xiàn)象[19]。相比直接檢測系統(tǒng)，相干檢測增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，但其能夠減小光纖色散帶來的影響顯著提升系統(tǒng)的接收靈敏度。在此系統(tǒng)中，相干檢測將5km雙向下行鏈路的接收靈敏度提升了14.20dB，5km雙向上行鏈路的接收靈敏度提升了11.82dB，擁有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

分析了EAM的反向偏壓特性，在調(diào)制電壓峰峰值為2V、反向偏壓為1V時，EAM能獲得良好的調(diào)制效果。設(shè)計并運行了以DFB和EAM為上行發(fā)射機的40Gbit/s、5km雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，在前向誤比特率為2.4×10-4時，以直接檢測方案為接收端的雙向網(wǎng)絡(luò)下行和上行信號的接收靈敏度分別為-18.31dBm和-17.94dBm，分析得出光纖色散對此系統(tǒng)影響較大，而光纖的后向瑞利散射對此系統(tǒng)影響較小。相干檢測方案的雙向網(wǎng)絡(luò)下行鏈路信號和上行鏈路信號的接收靈敏度分別達到了-32.51dBm和-29.76dBm，并且相較于直接檢測方案接收靈敏度分別有14.20dB和11.82dB的提升。

本系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)單元所采用的器件皆為可集成化的半導體器件，為未來用戶端光網(wǎng)絡(luò)單元提供一種高速率可大規(guī)模部署的集成化方案。