10Gb_sEML_TOSA及其在中长距离光通信中的应用

1、中文核心期刊及其在中长距离光通信中的应用10Gb/s EML-TOSA丁国庆，陈留勇，刘 让，杨 明，胡长飞（武汉华工正源光子技术有限公司，武汉 430223）要：介绍了 10Gb/ s EML- TOSA的工作原理、主要结构和性能；通过调测和比较，给出了 EAM的“1”码电摘平和峰 - 峰调制电压最佳条件；分析、讨论了 10Gb/ s EML- TOSA 的动态谱宽、眼图、色散容限和阻抗匹配等问题；指出了 10Gb/ s EML- TOSA具有动态谱宽较小，色散代价较小的特点，在中、长距离实用化光通 信中将有广泛的应用。关键词：EML（LD+EAM）；激子吸收；动态谱宽；啁啾因子；色散代价中

2、图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1002-5561（2012）02-0004-0410Gb/s EML-TOSA and Its application inthe medium-long distance optical communicationsDING Guo-qing, CHEN Liu-yong, LIU Rang, YANG Ming, HU Chang-fei(Wuhan Huagong Genuine Optics Technology Co., Ltd, Wuhan 430223,China)Abstract：The work principle, sub

3、assembly structure, main performance of 10Gb / s EML TOSA were intro- duced ,According to test results and comparing, They have given out of "1" code level and the peak to peak modulation voltage optimum condition for EAM ；The dynamic spectrum, eye diagram, dispersion tolerance and impedan

4、ce matching problems of 10Gb/s EML TOSA have analysed and discussed；They have pointed out that the dynamic spectral width and the dispersion Penalty for 10Gb/s EML TOSA is smaller.Key words: EML(LD+EAM);exciton absorption;dynamic spectrum width;chirp factor;dispersion penalty0 引言半导体激光器在高速（10Gb/s）直接调

5、制时， 将产 生频率啁啾。 为此，在高速、中长距离光传输系统中， 一般采用频率啁啾因子很小的铌酸锂（LiRbO3）外调制 器或半导体电吸收调制器（Electro Absorption Modula- tor，EAM），EAM 和 LD 等集成在一起,称 EML 器件，再 和其它元器件集成在一起，并采用 TOSA 型式的封装， 就是 10Gb/s EML-TOSA。1 调制器工作原理和基本结构我们知道，光通信系统传输距离主要与衰减和色 散相关。 当系统传输速率很高时，传输距离不仅受到衰减的限制，也受到光纤色散的限制。 光通信系统的色散，与光纤色散率、长度和调制光谱宽度等有关。对直接调制的半导体激

6、光器， 由于存在频率啁啾， 光谱展宽，色散代价增大，误码增加，传输距离受到色散限 制。 因此，对传输速率 10Gb/s 及中长传输距离的用的 光发射组件，不采用直接调制的 LD，而采用频率啁啾 较小的半导体外调制方式。根据物理机制、 材料和结构的不同 ， 激 光外调制 有多种方式。 半导体光强度调制方式比较简单，主要 由半导体光激射区、 电阻隔离区和光调制区构成，具 有体积小、结构简单、调制电压低和使用方便等特点。半导体光强度的外调制 是基于 1958 年氟 兰兹- 开尔迪希（Franz-Keldysh）发现的半导体材料在电场下 光吸收边变化的效应。 该效应为：当光调制器的光波 导区施加电压时

7、，产生电场，其材料发生能带倾斜，导 致能带隙宽度“ 收缩”， 这时， 输入信号光子能量如大 于该“收缩”的能带隙宽度时，将发生光吸收，结果，输EML-TOSA 中的 EAM 具有驱动电压低、频率啁啾小、易于和 LD 集成、传输带宽宽和体积小等优点1，已成为高速、 中长距离光通信核心网、 接入网中的关键部件。本文将介绍光波长为 1.55m、调制速率为10Gb/s 的 InGaAsP/InP EML-TOSA 的工作原理、基本结构、主要性能； 通过调测并优化电压条件和性能指 标；分析、讨论 EML-TOSA 的动态光谱、眼图、色散代 价、阻抗匹配等问题，并把它与 10Gb/s 直接强度的 LD 的

8、作一比较。收稿日期：2011-07-04。作者简介：丁国庆（1945-）,男,教授级高工,主要研究方向为光通信与光 电子技术。2012 年第 2 期光 器 件丁国庆，陈留勇，刘 让，等：10Gb/s EML- TOSA 及其在中长距离光通信中应用出就没有光或光很小，相当于输出“0”码光信号；而当光调制器的光波导区不施加电压时，则光波材料的能 带隙宽度不会发生“收缩”，它对能量小于该能带隙的 光是透明的，从而有“1”码光信号输出。 这就是“红移”表 1 10Gb/s EML-TOSA 主要光电技术指标现象。光波导区采用体材料和量子阱材料的光吸收情况是有不同的。 以上说的是体材料光吸收情况；当光波

9、导材料为量子阱材料时， 其光吸收是“ 激子” 吸收， 它比 Franz-Keldysh 吸 收 强 度 大 得 多 ， 称 为 Stark 效 应。本文中采用的 EML， 是一种由 DFB-LD 区、 光对 接/ 电隔离区与应变量子阱材料构成的光调制区的集 成芯片。 其结构如图 1 所示。 左边 DFB-LD 的输出光 波长为 1.545m 左右 ； 右边为光波 导区由 InGaAsP/InP 应变量子阱材料构成的电吸收调制区，电调制速率为 10Gb/s。 EML 总长度为 750m、光波导条宽 2m左右。3 调测结果3.1 偏置、调制电压对 EAM 光电性能的影响根据偏置、 调制电压与 EA

10、M 光电性能的影响关图 1 EML 芯片结构示意图2 TOTA 封装结构和主要光电性能10Gb/s EML-TOSA 应满足光电 性能指标和 可靠 性要求，并采用规范型光接口。 10Gb/s EML-TOSA 由 EML 芯片、背光探测器、热电致冷器（TEC）、热敏电阻、 微透镜、光隔离器、匹配电阻、 磁珠和贴片电容、 耦合 光纤、金属外壳和柔形 PCB 等构成，封装结构采用国 内外规范的 XMD 型式。10Gb/s EML-TOSA 的组装， 与带 致冷的 10Gb/s直 调 LD -TOSA 类 似 ； 但 在 结 构 上 稍 有 不 同 的 是 ，10Gb/s EML-TOSA 中包含有

11、一个匹配电阻和铁氧体 磁珠。 匹配电阻为 50，用于和电调制电路的输出组 抗相匹配，以免高速电路阻抗不匹配引起的反射和波 形失真，该匹配电阻也是调制器的负载； 铁氧体磁珠系，选取了 3 个 10Gb/s EML-TOSA 进行了调测。现把其中 1 个结果列如表 2 所示。 测试条件为 ：光波长1545nm，LD 总电流为 75mA，LD 工作温度为 3545。表 2 偏置、调制电压与 EAM 光电性能测试指标和贴片电容组成 LD 供电电源的滤波电路。它不仅用来反射杂散波，还用来吸收杂散的电磁辐射。10Gb/s EML-TOSA 主要光电技术指标，包括 LD、 EAM、背光探测器、TEC、隔离器

12、性能及色散代价等，如 表 1 所示。 这些指标可满足 10Gb/s EML-TOSA 工程 上应用。2012 年第 2 期“1” 码 电 平 电 压（V）调 制 电 压 峰 - 峰 值（V）平均输出 光 功 率（mW）消光比（dB）上 升 时 间（ps）-20dB光 谱 宽 度（nm）眼 图 边 缘 富 裕 度（%）-0.352.6010.038.80.156-232.189.538.40.144211.902.939.039.10.13518-0.452.3010.038.00.148172.049.538.00.145221.819.037.60.13621-0.552.2710.036.

13、50.145231.929.536.00.143211.699.036.40.137170.00.05.490.113参 数单位最小值典型值最大值备 注中心波长范围mm1528.715451565LD 总电流mA80150LD 工作电流mA60110LD 阈值电流mA1230EAM 反向偏置电压V-0.3-1.6-3EAM 峰-峰调制电压V02.5-3dB 下光谱线宽MHz15CW, Ibias = IOP光纤平均输出光功率dBm-0.5+4边模抑制比dB4055消光比dB9.09.510.5PIN-PD 背光偏置电压V-5-10监视器电流mA0.21.8跟踪误差dB-0.5+0.5光隔离度3

14、040色散代价dB2.010Gb/s, ER, IF=IOP TOP BER=1x10-12TEC 电流0.8TCASE=-5 to +75TOP, IOP, VPPTEC 电压1.8光 器 件丁国庆，陈留勇，刘 让，等：10Gb/s EML- TOSA 及其在中长距离光通信中应用表 2 说明，EAM 不加任何电压时,输出光功率为对动态单纵模 LD 输出到 EML 并调制的光，所产生的色散功率代价 PC 与光谱宽度、啁啾因子、光纤色 散系数、传输速率和传输距离有关，可近似表示为3：5.49dBm，-20dB 下光谱宽度为 0.113nm；当“1”码电压电平为-0.55V、 峰- 峰调制电 压为

15、 1.92V、消光比 为9.5dB 时，光电综合性能较好，这就是最佳电压设置条件。在 EAM 10Gb/s 调制下,平均输出光功率比 0 偏置、0 调制电压下光功率小 2.6dB 左右。3.2 直流和调制状态下光谱与眼图10Gb/s EML-TOSA 在直流状态 （即 0 偏置、0 调制电压） 下的光谱宽度比较窄，一般在 0.113nm。在10Gb/s 调制速率下, 光谱宽度展宽 25%左右；而眼图随偏置和调制电压会有所变化。 几个典型的光谱与眼图如图 2 所示。图 2 （a） 表明，0 偏置 、0 调制、-20dB 下光谱 宽度 最窄，为 0.113nm。 图 2（b）表明偏置为-0.55V

16、、调制为(a) 0 偏置、0 调制下光谱(b) 偏置-0.55V、调制 1.9VP-P 下调制光谱1.9VP-P 时的光谱宽度为 0.144nm，但仍然维持动态单纵模。 图 2（c） 表明偏置为-0.55V、调制为 1.9VP-P 时的眼图最好。 图 2 （d） 表明偏置为-0.7V、 调制为 2.2VP-P时的眼图恶化。值得注意的是， 与类似条件下的 10Gb/s 直调 LD 光谱相比，10Gb/s EML-TOSA 动态调制光谱宽度仅为 其 60%左右，这就是 EML-TOSA 的优势。(c) 偏置-0.55V、调制 1.9VP-P 下眼图4 分析与讨论4.1 频率啁啾和色散代价对 10G

17、b/s EML-TOSA 来说，虽然不存在直调激光器中的那种频率啁啾； 但由于 EAM 施加高速调制电压时，光吸收区折射率色散率也会发生变化 ， 从而 可能产生小的频率啁啾，这种频率啁啾影响可用啁啾 因子和波长偏移量 来衡量。 可表示为2：= (1/P)(dP/dt)× 2/（4c）（1）式（1）中，P 为光功率, 为调制速率有关的参数， 为传输中心波长,c 为光速。 式（1）表明，平均光功率(d) 偏置-0.7V、调制 2.2VP-P 下眼图越小， 和功率瞬时光功率变化越大，则波长偏移量图 2几个典型的光谱与眼图 越大。 啁啾因子测试可采用图 3 所示框图 （供参考）。据一般资料，

18、半导体调制器比高速直调 LD 的啁啾因子小很多，通常在+1 左右。这里讨论一下色散代价问题。由于频率啁啾和光谱加宽，将引起传输通道色散功率代价。它和光纤色散共同作用，将使信号失真、码间干扰增加，使比特差错率增加。 为了维持原来的比特差错率，就必须增加光功率。这种为了保持原来比特差错率不变而额外增加的光功率，就称为色散功率代价。 它是高速、中长距离光传输的主要限制因素。图 3啁啾因子测试框图2012 年第 2 期光 器 件丁国庆，陈留勇，刘 让，等：10Gb/s EML- TOSA 及其在中长距离光通信中应用4.3 直 调 10Gb/s LD-TOSA 和 10Gb/s EML-TOSA比较PC

19、=10lg10(1-4L·D·B·)-1(2)式(2)中，L 为光纤传输距离，D 为光纤色散系数，B为传输速率、 为波长偏移量。 式(2)表明，L、D、B、越大， 则 PC 越大。 值得注意的是， 与 EAM 调制状直 调和10Gb/s DFB -LD -TOSA10Gb/s EML -TOSA 主要特点比较如下表 3 所示。态、光谱宽度和频率啁啾因子有关。光谱宽度和频率表 310Gb/s EML-TOSA 与直调 10Gb/s DFB-LD-TOSA 比较啁啾因子越小， 则色散功率代价越小， 这就是 10Gb/sEML-TOSA 的特点。 根据表 1 所示，色散

20、功率代价规 定为 2dB。4.2 调制电路输出阻抗与 EAM 阻抗匹配问题从信号传输特性来看，10Gb/s 信号是微波信 号 ， 波动特性比较明显。 如果调制电路输出阻抗和 EAM 输入阻抗不匹配， 将发生信号反射 ， 这就存在一个阻 抗相匹配问题。10Gb/s EML-TOSA 的调制电路输出阻抗是 50，而 EAM 本身是电压控制器件 ， 阻抗很大。 为此， 在直 调 的 10Gb/sLD-TOSA10Gb/sEML-TOSA项 目单位调制速率Gb/s9.95311.319.95311.31传输波长nm1528156515281565LD 阈值电流mA8151030调制电流mA406060150-20dB 下谱线宽度nm0.200.400.100.20边模抑制比dB35454555消光比dB8.210.09.010.0EAM 两端并联一