TDM-PON上行信号光功率均衡器的锁模特性

陈晓文

TDM-PON上行信号光功率均衡器的锁模特性

陈晓文1，2

（1.福建信息职业技术学院电子工程系，福州350003；2.万能科技大学工程与电子学院，中坜32061）

为了减小时分复用无源光网络（TDM-PON）上行信号光波长的飘移，基于TDM-PON上行信号光功率均衡器架构，采用单模激光注入锁定光网络单元（ONU）法布里-珀罗（F-P）激光器（LD）方法，研究了F-P LD输出光波长的锁模特性，包括锁模的范围、驱动电流对锁模特性的影响、锁模前后温度变化引起F-P LD光波长变化情况等。结果表明，当驱动电流为9mA时，F-P LD可被锁模的波长范围为0.38nm，大于ONU上行光波长因环境温度变化5℃而产生的波长位移量0.25nm，F-P LD被锁模可使ONU上行信号的光波长相同且稳定，降低光功率均衡后的噪声。

光通信；光功率均衡；光注入锁定；法布里-珀罗激光器；分布反馈半导体激光器

［8］中的方法，其关键是单模激光注入锁定各用户端F-P LD上行光波长。实验中发现，如果没有锁模，光功率均衡器输出光强会突然变小，光输出眼图张开程度变小、噪声大，不能有效地传输信号。基于TDM-PON上行信号光功率均衡器架构，通过实验研究单纵模激光波长增减变化能注入锁定FP LD光波长的范围，驱动电流对锁模特性的影响，锁模前后温度变化引起F-P LD光波长变化情况。

1 光注入锁模原理

图1所示是TDM-PON之ONU上行信号的光功率均衡器架构图，LD1用作光功率均衡，其驱动电流略低于F-P LD临界电流，1490nm LD用于下行信号光发射机，分布反馈式（distributed feedback，DFB）激光器作为各ONU的外部注入光源。由于F-P LD温度效应特性，输出的模态会因升温而往长波长移动，使ONU上行信号波长发生漂移，为了不使它移动，在局端OLT中，1310nm的分布反馈式激光器输出单纵模激光，经光纤传输至远程节点处，单纵模激光于远程节点处由光环形器第一光纤输入，从光环形器第二光纤输出注入每个ONU之F-P LD，锁定后从光环形器第三光纤输出同一稳定波长光，避免不同ONU的上行信号光波长不一或因温度效应而发生漂移。远程节点处DFB LD单纵模激光注入锁定ONU之F-P LD示意图如图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

当DFB LD单纵模激光与F-P LD的模态相互对应，外部注入的单模光将影响激光介质的增益与折射率分布，使其可于激光共振腔中共振放大，获得激光介质的大部分功率，其它模态的光强度将被大幅抑制，边模抑制比大增（大于40dB），F-P LD输出与原来DFB LD光谱类似的单纵模激光。图3为光环形器第三光纤锁模前后输出的光谱图，由光谱变化可知，F-P LD模态被锁定后有单纵模激光输出。

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

2 实验与结果

图2中，用可调谐激光器来代替单纵模外部注入光源，方便调整其光波长以进行光注入锁模。由于1310nm设备与器件一般实验室多不具备，为了实验的方便，实验中所采用F-P LD的波长为1550nm，其临界电流为9.3mA，所用驱动电流为9mA与15mA，分别代表光功率均衡器与ONU端法布里-珀罗激光器的操作条件。以下是F-P LD在驱动电流为9mA与15mA时，分别执行单纵模光注入锁模实验的结果。图4与图5分别是驱动电流9mA时单纵模光波长递减与递增的锁模光谱图，此时F-P LD被锁模前的初始模态波长是1549.55nm。图6与图7分别是驱动电流15mA时单纵模光波长递减与递增的锁模光谱图，此时F-P LD被锁模前的初始模态波长是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

根据以上各图，可得出以下结论。

（1）外部注入光波长与F-P LD的初始模态波长越接近，边模抑制比越大，可达锁模的外部注入光强度也可越小。

（2）外部注入光由波长递减与波长递增锁模范围不同，外部注入光由波长递减要比波长递增有更大的锁模范围。如驱动电流9mA时，波长递减时锁模范围为0.3nm，波长递增时锁模范围为0.08nm。

（3）驱动电流超过F-P LD临界电流时，外部注入光波长与F-P LD的初始模态相同时，会有类似五指山峰的频谱输出，而不是类似单纵模的频谱输出。

（4）驱动电流越大，F-P LD各模态的光强大，不容易被外注入光锁定，F-P LD可被锁模的范围越小。驱动电流15mA时，F-P LD可被锁模的范围为0.16nm；驱动电流9mA时，F-P LD可被锁模的范围为0.38nm。

器件的温度上升，会使激光器材料的折射率和带隙发生变化，导致光谐振腔尺寸增大，带隙变窄，使激光器输出光的峰值波长随温度升高向长波长方向漂移。以DFB LD为外部注入光源来锁定各用户端F-P LD的上行光波长，可以避免因用户温度环境不同而使上行光波长有所差异。图8是F-P LD被外部单纵模注入光锁模前后于不同温度下的输出光波长变化，其中三角形记号为F-P LD未被外部注入光锁模的特定模态波长变化，温度由23.15℃升高至27.15℃，模态波长位移量为0.25nm。以相同的条件来测试，F-P LD被外部单纵模锁模后的输出波长（实心圆记号处）变化接近于0。

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

3 结 论

外部单纵模光注入锁定F-P LD模态，可使F-P LD输出类似单纵模光谱。要使F-P LD输出较好的锁模光谱图，驱动电流不能高于F-P LD临界电流，驱动电流越大，F-P LD可被锁模的范围越小，实际应用时驱动电流可采用略小于临界电流。要获得较大的锁模范围，外部注入单纵模光应由波长递减对F-P LD进行锁模，并且外部注入光波长与F-P LD的初始模态波长越接近越容易锁模。当温度变化时，被外部单纵模光锁模后F-P LD输出的光波长基本不变，可以避免因用户温度环境不同而导致上行光波长不同。当驱动电流略小于临界电流时，F-P LD可被锁模的波长范围为0.38nm，大于ONU上行光波长因环境温度变化5℃而产生的波长位移量0.25nm，即当环境温度变化在5℃之内，ONU之F-P LD可被外部单纵模光注入锁定。

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

CHEN Xiaowen1，2
（1.Department of Electronic Engineering，Fujian Polytechnic of Information Technology，Fuzhou 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

中国台湾省“经济部”科技专案计划资助项目（7301XS2410）

陈晓文（1968-），女，副教授，主要从事光学与电子信息方面的研究。

E-mail：351335889＠qq.com

2013-06-13；

2013-07-03

目前实现光纤到家最受欢迎的方法是采用成本低廉的无源光网络（passive optical network，PON）［1-2］。一个无源光网络包含一个位于局端的光线路终端（optical line termination，OLT）和多个位于用户端的光网络单元（optical network unit，ONU）［3］。在无源光网络中，因每个用户端到局端的距离不一样，造成上行光信号光功率大小不同，因此，局端必须用突发模式光接收机接收ONU的上传信号，导致局端OLT设计复杂度上升，且ONU实际可用带宽下降。为此，参考文献［4］～参考文献［13］中研究了用不同方法实现光功率均衡。参考文献［7］中采用上行光注入于工作在临界电流以下的法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）二极管激光器（laser diode，LD）来实现光功率均衡，本方法要求ONU上行信号的光波长相同且稳定，实际上用户端ONU上传光波长容易因温度效应而飘移，当注入光波长差超过0.08nm时，信号将产生严重噪声。参考文献［8］中对参考文献［7］中的方法进行了改进，在时分复用无源光网络（time division multiplexing passive optical network，TDM-PON）上行光注入F-P LD前，用单模激光注入用户端ONU，锁定各用户端F-P LD上行光波长，使ONU上行光波长不会因温度效应而飘移，有效降低光功率均衡后的直流噪声。