Исследование характеристик полупроводникового оптического усилителя как многофункционального устройства волоконно-эфирной структуры
Автор: Андреев Владимир Александрович, Бурдин Владимир Александрович, Волков Кирилл Александрович, Кубанов Виктор Павлович, Тяжев Анатолий Иванович
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 6 т.40, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены варианты использования полупроводниковых оптических усилителей в системах волоконно-эфирной структуры. Получены теоретические оценки параметров работы оптического усилителя, модулятора и детектора, реализованных на базе полупроводникового оптического усилителя, а также оценки параметров этих устройств при использовании полупроводникового оптического усилителя в качестве единого многофункционального оптического устройства: усилитель-модулятор-детектор.
Полупроводниковый оптический усилитель, модулятор, детектор
Короткий адрес: https://sciup.org/14059511
IDR: 14059511 | DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-6-844-849
Текст научной статьи Исследование характеристик полупроводникового оптического усилителя как многофункционального устройства волоконно-эфирной структуры
Одной из наиболее перспективных для построения таких телекоммуникационных сетей, как сети мобильной связи, сети широкополосного доступа, является технология «radio-over-fiber» (RoF) – технология передачи данных по распределенной волоконно-эфирной структуре. Технология RoF является транспортной и представляет собой способ передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) посредством модуляции (манипуляции) оптической несущей сверхвысокочастотным сигналом [1 –3].
Сегмент сети RoF включает в себя центральную станцию (ЦС), участок волоконно-оптической линии связи, базовую станцию (БС) и абонентский терминал (АТ), как представлено на рис. 1.
Рис. 1. Обобщённая структура сегмента сети RoF
В сети RoF на ЦС оптический передатчик модулируется на поднесущих СВЧ-диапазона цифровыми информационными сигналами со скоростями 1…10 Гбит/с. ВОЛС соединяют ЦС и БС. На базовой станции осуществляются оптико-электрическое преобразование и передача в эфир в пределах зоны покрытия. Сигналы принимаются и демодулируются АТ. Передача сигналов от абонента происходит в обратной последовательности [1 –3]. Основным преимуществом технологии RoF является передача радиосигнала непосредственно из оптического канала в радиоканал без промежуточного ввода/вывода на БС информационного сигнала. Это позволяет не только существенно упростить реализацию БС и снизить ее стоимость, но и обеспечить прозрачность, что крайне важно для современных телекоммуникационных сетей.
При такой конфигурации сети существенным фактором является стоимость БС. Даже относительно не- большое ее увеличение приводит к значительному росту затрат на построение сети в целом. Для компенсации потерь в ВОЛС при распространении и для согласования уровней передачи сигналов в системах RoF используют оптические усилители, в том числе и полупроводниковые оптические усилители (ППОУ). Как известно, ППОУ может выполнять функции не только оптического усилителя, но и детектора и модулятора. Таким образом, для получения экономического эффекта, который заключается в уменьшении стоимости подключения абонента к сети RoF за счет удешевления БС, целесообразно использовать ППОУ как единое многофункциональное устройство. Однако появляется необходимость в исследовании характеристик такого многофункционального устройства при работе в различных режимах для определения его возможной области применения, что и рассматривается в настоящей работе.
Функционирование ППОУ в качестве усилителя
Конструкция и принцип действия ППОУ подробно описаны в литературе [4–7]. Как и любой оптический усилитель, используемый на волоконнооптических линиях передачи (ВОЛП), ППОУ применяется в качестве выходного усилителя для увеличения мощности передатчика, линейного усилителя и предусилителя для повышения чувствительности приемника. В табл. 1 приведено сравнение основных характеристик ППОУ и волоконнооптических усилителей (ВОУ), реализованных на активных волокнах, легированных ионами эрбия, и на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [8].
К основным преимуществам ППОУ, как отмечалось ранее, относятся прозрачность по скорости передачи данных и формату модуляции, двунаправленность, возможность применения в системах спектрального уплотнения, простой режим работы, низкое энергопотребление и компактность. На рис. 2 представлено конструктивное исполнение ППОУ на примере [9] (рис. 2 а ) и геометрические размеры его активной области (рис. 2 б ).
Табл. 1. Сравнение характеристик ППОУ и ВОУ
Тип оптического усилителя |
ППОУ |
EDFA |
ВКР |
Спектральная ширина, нм |
30–40 |
40 |
100 |
Максимальный коэффициент усиления, дБ |
20–28 |
40 |
32 |
Шум-фактор, дБ |
6–8 |
5,5 |
3 |
Мощность насыщения, дБм |
20 |
30 |
35 |
Поляризационная чувствительность, дБ |
<0,5 |
<0,5 |
<0,5 |
#7 #/

а)

Рис. 2. Полупроводниковый оптический усилитель на примере 14-pin (а) и конструкция активной области ППОУ (б)
При работе ППОУ в качестве оптического усилителя важными характеристиками являются коэффициент усиления сигнала и величина шум-фактора, конечно же, с учетом их спектральной зависимости. Как известно, коэффициент усиления G определялся как отношение мощности P out сигнала на выходе оптического усилителя к мощности P in сигнала на его входе:
G = P out I P n .
Коэффициент усиления ППОУ зависит от мощности входного сигнала. Мощный входной сигнал уменьшает плотность носителей в активной области, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент усиления и смещает максимум усиления в сторону больших длин волн [4, 6– 7]. Насыщение коэффициента усиления записывается в виде функции выходной мощности:
G = Gss exp (PIPsat), где GSS – коэффициент усиления слабого сигнала, Psat – мощность насыщения.
Psat = (hVAn)I(T ra), где т - время жизни носителей, Г - коэффициент оптического ограничения, a - дифференциальное усиление, А – площадь поперечного сечения активной полоски ППОУ, п — коэффициент ввода излучения.
Основной характеристикой, влияющей на качество усиливаемого сигнала, является шум-фактор. Величина шум-фактора показывает степень ухудшения оптического соотношения сигнал – шум. Основным источником шума ППОУ являются биения меж- ду сигналом и усиленным спонтанным излучением (УСИ). На практике измерение шум-фактора производится по формуле [9]:
NF = (2 -р ase )I( Gh V), где ρASЕ – спектральная плотность УСИ, определяемая из спектральной зависимости мощности шума. Для расчета характеристик G и NF использовалась математическая модель, которая подробно описана в работе [4]. Параметры ППОУ, необходимые для моделирования, брали из [4, 9]. Результаты вычислений представлены на рис. 3 –4.

от мощности входного сигнала при токе накачки 150 мА

Рис. 4. Зависимость мощности шума ППОУ от мощности входного сигнала при токе накачки 150 мА (λ = 1552,52 нм)
Как видно из рис. 3, 4, с увеличением мощности на входе ППОУ коэффициент усиления и величина шума уменьшаются.
Функционирование ППОУ как детектора сигнала
Известно, что ППОУ может функционировать и как детектор [10– 12]. Существует два способа использования ППОУ для детектирования: при отсутствии тока накачки и при его подаче на устройство [4]. В первом случае оптическое излучение при распространении по волноводу ППОУ поглощается материалом. При поглощении фотонов генерируются электронно-дырочные пары, в результате чего в нагрузке протекает ток. Во втором случае при вводе оптического излучения в ППОУ в нем в результате процесса вы- нужденной рекомбинации генерируются дополнительные фотоны, что и приводит к изменениям тока. Наилучшие показатели достигаются при токе накачки и уровне входной мощности, близким к рабочим характеристикам ППОУ, используемого как усилитель [12]. Следует отметить, что ППОУ как детектор по своим параметрам существенно уступает фотодиодам.
Применение ППОУ как детектора может быть описано структурной схемой, представленной на рис. 5 (здесь ЛД – лазерный диод, М – модулятор).

Рис. 5. Структурная схема детектора сигнала на базе ППОУ
В соответствии с рис. 5 предположим, что на вход ППОУ попадает сигнал мощностью:
накачки ППОУ совпадают, но наименьший шум наблюдается для более мощного входного сигнала.

Рис. 6. Зависимость тока детектирования ППОУ от мощности входного сигнала при токе накачки 200 мА
Pin (t ) = PDC + AP,
в этом случае величина тока детектирования может быть найдена как:
I = I + AI ,
det DC det , где
A I det = R • m • ( P dc / a in ) и R = 2 " " . (1)
m • P DC • Z
Здесь P DS – постоянная составляющая оптической мощности, Δ P – переменная составляющая оптического сигнала, I det – величина детектируемого тока, I DS – переменная составляющая электрического сигнала, Δ I det – переменная составляющая детектируемого тока, R – чувствительность ППОУ, m – глубина модуляции сигнала, a in – величина оптических потерь в случае протяженного сегмента ВОЛП, Z – волновое сопротивление ППОУ.
При расчетах величины детектируемого значения использовали параметры ППОУ из [4, 9], учитывали (1) и допускали отсутствие оптических потерь a in . Результаты вычислений представлены на рис. 6.
Функционирование ППОУ как модулятора
Применение ППОУ перспективно в качестве внешнего модулятора, работа которого базируется на том, что изменения тока накачки приводят к изменениям коэффициента усиления и, соответственно, к модуляции выходной мощности оптического излучения. Оптимальным является выбор в качестве рабочего линейного участка ватт-амперной характеристики перед областью насыщения. Именно на этом участке достигаются наименьшие нелинейные искажения и максимальная глубина модуляции.
На рис. 7–8 представлены результаты моделирования зависимости коэффициента усиления и мощности шума ППОУ от величины тока накачки для разных значений входной мощности сигнала для режимов функционирования ППОУ как модулятора и как оптического усилителя.
Как видно из рис. 7 , 8, линейные участки зависимости коэффициента усиления от величины тока

Рис. 7. Зависимость коэффициента ППОУ от величины тока накачки при мощности входного сигнала 0 дБм и –30 дБм.


Рис. 8. Зависимость мощности шума ППОУ от тока накачки при мощности входного сигнала 0 дБм (а) и –30 дБм (б)
Использование ППОУ в качестве внешнего модулятора является не единственным его применением в устройствах формирования сигнала. Как было показано, к примеру, в [13], имеется возможность реализации сигналов более сложной формы.
Особый интерес для систем распределенной воло-конно-эфирной структуры представляет модуляция оптической несущей с одной боковой полосой [14]. Пример такого модулятора на основе ППОУ приведен на рис. 9.

Здесь ЛД – лазерный диод, Г – генератор, ОПФ – оптический полосовой фильтр. Радиосигналом модулируют оптическое излучение ЛД1 с длиной волны λ 1 , и этим же радиосигналом, но сдвинутым по фазе, модулируют оптическое излучение ЛД2 с длиной волны λ 2 . В ППОУ за счёт нелинейности образуются продукты четырехволнового смешения на длине волны λ FWM . За счёт выбора сдвига фазы, уровней мощности оптического излучения лазерных диодов и тока накачки в ППОУ одну боковую полосу продукта четырехволнового смешения подавляют и с помощью фильтра из оптического сигнала на выходе ППОУ выделяют другую.
Заключение
Способность ППОУ выполнять функции усилителя, модулятора и детектора позволяет создать универсальное устройство, выполняющее все эти функции. Однако, поскольку оптимальные режимы ППОУ для усиления, модуляции и детектирования отличаются, приходится искать компромиссы. Сопоставляя результаты численного моделирования многофункционального устройства на базе ППОУ с характеристиками оптического усилителя, детектора и модулятора, можно говорить о возможности использования многофункционального устройства на базе ППОУ в распределительных системах волоконно-эфирной структуры (RoF), но при определенных ограничениях в характеристиках. ППОУ может использоваться как приемлемый фотодетектор и модулятор, но при этом как посредственный оптический усилитель. И, соответственно, как хороший оптический усилитель, приемлемый модулятор, но посредственный детектор сигнала.
Список литературы Исследование характеристик полупроводникового оптического усилителя как многофункционального устройства волоконно-эфирной структуры
- Cooper, A.J. 'Fibre/Radio' for the provision of cordless/mobile telephony services in the access network/A.J. Cooper//Electronics letters. -1990. -Vol. 26, Issue 24. -P. 2054-2056. - DOI: 10.1049/el:19901325
- Gomes, N.J. Radio-over-fiber transport for the support of wireless broadband services/N.J. Gomes, M. Morant, A. Alphones, B. Cabon, J.E. Mitchell, C. Lethien, M. Csörnyei, A. Stöhr, S. Iezekiel//Journal of Optical Networking. -2009. -Vol. 8, Issue 2. -P. 156-178. - DOI: 10.1364/JON.8.000156
- Zhensheng, J. Key Enabling Technologies for Optical-Wireless Networks: Optical Millimeter-Wave Generation, Wavelength Reuse, and Architecture/J. Zhensheng, Y. Jianjun, E. Georgios, C. Gee-Kung//Journal of Lightwave Technology. -2007. -Vol. 25, Issue 11. -P. 3452-3471. - DOI: 10.1109/JLT.2007.909201
- Connelly, M.J. Wideband Semiconductor Optical Amplifier Steady-State Numerical Model/M.J. Connelly//IEEE Journal of Quantum Electonics. -2001. -Vol. 37, Issue 3. -P. 439-447. - DOI: 10.1109/3.910455
- O’Mahoney, M.J. Semiconductor Laser Optical Amplifier for use in Fiber Systems/M.J. O’Mahoney//Journal of Lightwave Technology. -1988. -Vol. 6, Issue 4. -P. 531-544. - DOI: 10.1109/50.4035
- Kaminow, I. Optical Fiber Telecommunications: Systems and Networks./I. Kaminow, T. Li, A.E Willner. -6th Ed. -Vol. VIA. -Waltham, USA: Academic Press, 2013. -P. 944. -ISBN: 978-0-12-396958-3.
- Kaminow, I. Optical Fiber Telecommunications: Systems and Networks./I. Kaminow, T. Li, A.E Willner. -6th Ed. -Vol. VIB. -San Diego, USA: Academic Press; 2013. -P. 1148. -ISBN: 978-0-12-396960-6.
- Дураев, В.П. Полупроводниковые оптические усилители в диапазоне длин волн 840-1550 нм/В.П. Дураев, С.В. Медведев//Научное приборостроение. -2012. -Т. 22, № 3. -С. 53-57.
- Udvary E. Multifunctional SOAs in optical communication systems/E. Udvary, T. Berceli//ICTON '09, 11th International Conference on Transparent Optical Networks. -2009. -P. 1-4. - DOI: 10.1109/ICTON.2009.5185045
- Udvary E. Semiconductor optical amplifier for detection function in radio over fiber systems/E. Udvary, T. Berceli//Journal of Lightwave Technology. -2008. -Vol. 26, Issue 15. -P. 2563-2570. - DOI: 10.1109/JLT.2008.927187
- Андреев, В.А. Применение полупроводниковых оптических усилителей в системах «Radio-over-Fiber» телекоммуникационных сетей/В.А. Андреев, А.В. Бурдин, В.А. Бурдин, М.И. Нарышкин//Успехи современной радиоэлектроники. -2015. -№ 11. -С. 14-18.
- Xiangfei, C. Photonic generation of microwave signal using a dual-wavelength single-longitudinal-mode fiber ring laser/C. Xiangfei, D. Zhichao, Y. Jianping//IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -2006. -Vol. 54, Issue 2. -P. 804-809. - DOI: 10.1109/TMTT.2005.863064
- Insua, G.I. Simple remote heterodyne radio-over-fiber system for gigabit per second wireless access/I.G. Insua, D. Plettemeier, Ch.G. Schäffer//Journal of Ligthwave Technology. -2010. -Vol. 28, Issue 16. -P. 2289-2295. - DOI: 10.1109/JLT.2010.2042426