Przemysław Krehlik, Łukasz Śliwczyński, Andrzej Wolczko, Marcin Lipiński Zniekształcenia dynamiczne w laserowych układach nadawczych z podprogową polaryzacją wstępną.AGH Katedra Elektroniki

Przemysáaw Krehlik àukasz ĝliwczyĔski Andrzej Wolczko Marcin LipiĔski

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Elektroniki al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

e-mail: krehlik@uci.agh.edu.pl

ZNIEKSZTA

àCENIA DYNAMICZNE W LASEROWYCH UKàADACH

NADAWCZYCH Z PODPROGOW

Ą POLARYZACJĄ WSTĉPNĄ

Streszczenie: W pracy analizowana jest moĪliwoĞü podprogowej polaryzacji wstĊpnej laserów pracujących w systemach transmisyjnych, w których wymaga siĊ caákowitego wygaszania lasera. Wskazano na powstające w takich warunkach znieksztaácenia sygnaáu optycznego oraz okreĞlono je iloĞciowo dla róĪnych szybkoĞci transmisji binarnej. Rezultaty rozwaĪaĔ poparte zostaáy wynikami pomiarowymi.

. WSTĉP

Pasywne sieci Ğwiatáowodowe (ang. PON – Passive Optical Network) [, 2, 3] stwarzają nowe wymagania odnoĞnie laserowych ukáadów nadawczych, szczególnie dla transmisji “upstream”. Przesyáanie danych od wielu uĪytkowników ma charakter pakietowy z wielodostĊpem o podziale czasowym (ang. TDMA – Time Division Multiple Acces), a sygnaáy optyczne generowane przez ukáady nadawcze są sumowane w pasywnym sprzĊgaczu optycznym - rys. . ONU-n ONU-1 piedestaá 1 n OLT moc opt. moc opt. moc opt.

ΣΣΣΣ

ONU – ang. Optical Network Unit OLT – ang. Optical Line Termination

Rys. . Transmisja „upstream” w sieci PON MoĪna wskazaü dwa istotne powody, dla których konwencjonalny ukáad nadawczy nie moĪe byü stosowany w powyĪszym przypadku. Po pierwsze, w ukáadzie „klasycznym” stabilizacja punktu pracy lasera opiera siĊ na monitorowaniu i stabilizacji w sprzĊĪeniu zwrotnym wartoĞci Ğredniej emitowanej mocy optycznej. W przypadku transmisji pakietowej Ğrednia moc optyczna zaleĪy od czasu trwania nadawanych pakietów i odstĊpów miĊdzy nimi, a zatem nie moĪe byü uĪyta jako sygnaá sterujący w ukáadzie polaryzacji lasera. Szerzej zagadnienie to poruszaliĞmy w publikacji [4].

Drugi istotny problem powstaje w związku z sumowaniem w sprzĊgaczu optycznym sygnaáów z wielu (do 64) ukáadów nadawczych. JeĪeli przyjąü typowe rozwiązanie, Īe nadajnik laserowy w stanie niskim nie jest caákowicie wygaszany, lecz emituje moc rzĊdu 0%...20% wartoĞci w stanie wysokim, w sieci PON powstaje bardzo duĪa skáadowa staáa mocy optycznej od nieaktywnych w danym momencie ukáadów nadawczych. MoĪe ona wielokrotnie przewyĪszaü amplitudĊ sygnaáu generowanego przez nadajnik aktywny, co z kolei zasadniczo utrudnia detekcjĊ sygnaáu w urządzeniu odbiorczym. (Skáadowa staáa generuje szum Ğrutowy w fotodiodzie, moĪe teĪ powodowaü przesterowanie przedwzmacniacza odbiorczego.)

Jedno z proponowanych rozwiązaĔ ukáadu nadawczego dla transmisji „upstream” w sieci PON zakáada rezygnacjĊ ze stabilizacji mocy optycznej lasera, oraz, co bardzo waĪne, z ponadprogowej polaryzacji wstĊpnej. Zastosowanie podprogowej (lub zerowej) polaryzacji wstĊpnej lasera powoduje caákowite jego wygaszanie, prowadzi jednak do powstania znieksztaáceĔ czasowych w wyjĞciowym sygnale optycznym. Celem niniejszej pracy jest skrótowe przedstawienie przyczyn powstawania tych znieksztaáceĔ oraz iloĞciowe ich okreĞlenie w odniesieniu do wspóáczesnych laserów telekomunikacyjnych oraz do zakresu prĊdkoĞci transmisji stosowanych w sieciach PON.

2. PRZYCZYNY ZNIEKSZTAàCEē DYNAMICZNYCH

Aby wyjaĞniü mechanizm powstawania znieksztaáceĔ czasowych emitowanych przez laser impulsów optycznych, naleĪy przypomnieü dynamikĊ zmian koncentracji noĞników w obszarze aktywnym záącza, w czym pomocny bĊdzie rys. 2. JeĪeli spolaryzujemy laser prądem IB mniejszym od prądu

progowego ITH, ustali siĊ pewna koncentracja noĞników

NB, a laser nie bĊdzie praktycznie emitowaá Ğwiatáa

(dokáadniej – wystąpi emisja spontaniczna o bardzo maáej mocy). Gdy prąd páynący przez záącze zostanie zwiĊkszony do wartoĞci IF przewyĪszającej prąd

progowy, koncentracja noĞników zacznie narastaü, jednakĪe emisja wymuszona (a zatem i odpowiedĨ optyczna) pojawi siĊ dopiero po osiągniĊciu koncentracji progowej, a wiĊc bĊdzie opóĨniona w stosunku do prądu

2003

sterującego o pewien czas tD [5]. NaleĪy podkreĞliü, Īe

po osiągniĊciu wartoĞci progowej koncentracja noĞników dalej nie narasta, i w konsekwencji zanik emisji wymuszonej nastĊpuje praktycznie bez opóĨnienia w stosunku do zaniku prądu sterującego laser. 0 0 0 t t t IF ITH IB NTH NB tD koncen tracj a no Ğ ni k ó w m o c o p t. pr ą d

Rys. 2. OpóĨnienie wáączenia lasera

PowyĪsze rozwaĪania dotyczyáy sytuacji, gdy przed pojawieniem siĊ impulsu prądowego koncentracja noĞników byáa ustalona. W przypadku sterowania lasera ciągiem impulsów (transmisja sygnaáu binarnego), kolejne impulsy mogą siĊ pojawiaü zanim koncentracja noĞników zdąĪy zaniknąü do wartoĞci ustalonej. W takiej sytuacji opóĨnienie odpowiedzi optycznej ulegnie zmniejszeniu, zaleĪnemu od odlegáoĞci czasowej miĊdzy poprzednim i bieĪącym impulsem prądu. Zjawisko to ilustruje rys. 3. 0 0 0 t IF IB NTH NB t t tD k o nc e n tr ac ja no Ğ ni kó w m o c op t. pr ą d

Rys. 3. Wpáyw odstĊpu miĊdzy impulsami na opóĨnienie 3. WPàYW ZNIEKSZTAàCEē DYNAMICZNYCH LASERA NA OPTYCZNY SYGNAà TRANSMISJI

DANYCH

W przypadku standardowej bezpoĞredniej modulacji mocy lasera prądem sterującym, opisane powyĪej opóĨnienie wáączania lasera powoduje deformacjĊ wyjĞciowego sygnaáu optycznego, którą przedstawiono, posáugując siĊ wykresem oczkowym, na rys. 4. PoniewaĪ opóĨnieniu podlega tylko proces wáączania lasera, czas trwania sygnaáu w stanie wysokim (logiczne „”) ulega skróceniu, a stanu niskiego odpowiedniemu wydáuĪeniu. Co wiĊcej, opóĨnienie zbocza narastającego nie jest staáe, zaleĪy bowiem od odstĊpu od poprzedniego impulsu, czyli od iloĞci symboli „0” wystĊpujących bezpoĞrednio przed

rozwaĪanym symbolem ””. Pojawia siĊ zatem znieksztaácenie wypeánienia przebiegu, oraz zaleĪny od nadawanej sekwencji jitter zbocza narastającego (ang. pattern dipendent jitter), a w konsekwencji zmniejsza siĊ rozwarcie oczka w dziedzinie czasu. Opisane nierównomiernoĞci czasowe wystĊpowania zboczy zaburzają teĪ proces odzyskiwania zegara w ukáadzie odbiorczym, generując jitter w odtworzonym przebiegu zegarowym. Jitter odtworzonego zegara negatywnie wspóáoddziaáuje z zawĊĪeniem oczka, powodując zwiĊkszenie prawdopodobieĔstwa báĊdów w ukáadzie decyzyjnym odbiornika, a w skrajnym przypadku nawet caákowitą niesprawnoĞü systemu transmisyjnego.

a)

b)

jitter zbocza narast. zmniejszone

rozwarcie

Rys. 4. Idealny (a), oraz znieksztaácony (b) wzór oczka PoniĪej przdstawione zostaną wyniki analizy wpáywu podprogowej polaryzacji wstĊpnej na czasowe rozwarcie oczka i jitter zbocza narastającego. Badania przeprowadzono dla oĞmiu róĪnych laserów, których podstawowe parametry zawiera tab. . RozwaĪano róĪne prĊdkoĞci transmisji w przedziale 55 Mb/s do  Gb/s. Wyniki prezentowane na rys. 5 do 7 uzyskano na drodze symulacji, posáugując siĊ specjalnie w tym celu opracowanymi modelami rozwaĪanych laserów. Konstrukcja modelu i jego weryfikacja pomiarowa zostaáy opisane w pracy [6], dlatego nie bĊdą tu powtarzane. Nr typ dá. fali_[µm] prąd prog. [mA] prąd oper. [mA] moc [mW ]  MQW, DFB .3 2 40 2 2 MQW, FP .3 3 45 2 3 MQW, FP .3 7.5 33,5 .5 4 MQW, DFB .55 .5 25  5 bulk, FP .3 24 90  6 MQW, FP .3 8.5 20  7 bulk, FP .3 35 5 .8 8 bulk, FP .55 42 62 .5

Tab. . Podstawowe parametry badanych laserów Na rys. 5 przedstawiono czasowe rozwarcie oczka i wartoĞü miĊdzyszczytową jitteru dla wszystkich badanych laserów, w warunkach zerowej polaryzacji wstĊpnej. WartoĞci na wykresach podane są w jednostkach UI (ang. Unit Interval), czyli wzglĊdnie do okresu przebiegu zegarowego. Jako odniesienie kolorem szarym odgraniczono deformacje sygnaáu przekraczające wartoĞci dopuszczane w zaleceniach ITU

dla wyjĞciowego sygnaáu optycznego STM- (odpowiednio - G.957 i G.825).

Jak widaü, sterowanie lasera bez polaryzacji wstĊpnej daje zadowalające efekty jedynie przy prĊdkoĞciach rzĊdu pojedynczych setek MHz, przy czym wyraĨnie lepsze parametry uzyskano w przypadku laserów MQW. Warto odnotowaü fakt, iĪ wszystkie piĊü badanych laserów tego typu wykazuje bardzo podobne wáaĞciwoĞci, mimo Īe róĪnią siĊ emitowaną dáugoĞcią fali, typem rezonatora optycznego i wreszcie pochodzą od róĪnych producentów. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ro zw ar ci e o cz k a [UI] prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] lasery MQW 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] ji tt er zb oc za n ara st. [UI] lasery MQW

Rys. 5. ZaleĪnoĞü czasowego rozwarcia oczka i jitteru od prĊdkoĞci transmisji w warunkach braku polaryzacji wstĊpnej laserów.

Rys. 6 przedstawia analogiczne rezultaty w przypadku zastosowania polaryzacji wstĊpnej o wartoĞci poáowy prądu progowego. Jak áatwo zauwaĪyü, parametry czasowe sygnaáu optycznego ulegáy radykalnej poprawie. SzeĞü z oĞmiu badanych laserów moĪe z powodzeniem pracowaü w takich warunkach przy prĊdkoĞci transmisji nawet rzĊdu  Gb/s. Niewielkie wartoĞci jitteru uzyskane dla wszystkich badanych laserów wskazują na moĪliwoĞü poprawy rozwarcia oczka przez odpowiednie wydáuĪenie czasu trwania impulsów sterujących laser, tak by skompensowaü opóĨnienie odpowiedzi optycznej lasera. Rozwiązanie takie proponuje siĊ np. w pracy [2].

Odnosząc siĊ do postawionego we wstĊpie wymagania caákowitego wygaszania lasera naleĪy przypomnieü, iĪ we wspóáczesnych laserach moc emisji spontanicznej wystĊpującej przy polaryzacji poniĪej

prądu progowego jest rzĊdu kilku, kilkunastu µW, nie stanowi zatem powaĪnego problemu.

Badano równieĪ zachowanie siĊ laserów w przypadku wstĊpnej polaryzacji wiĊkszym prądem. Stopniowe zwiĊkszanie polaryzacji wstĊpnej aĪ do wartoĞci prądu progowego powoduje mniej wiĊcej proporcjonalne zmniejszanie siĊ deformacji czasowych oczka. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] ro zw ar ci e o cz k a [UI] lasery MQW 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ji tt er zb oc za n ara st. [UI] prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] lasery MQW

Rys. 6. ZaleĪnoĞü czasowego rozwarcia oczka i jitteru od prĊdkoĞci transmisji w warunkach polaryzacji poáową prądu progowego.

Wyznaczono teĪ deformacjĊ oczka w warunkach sterowania lasera prądem o mniejszej amplitudzie, dobranej tak, by emitowana moc optyczna wynosiáa poáowĊ wartoĞci nominalnej. Na rys. 7 przedstawiono przykáadowo rezultaty uzyskane dla lasera oznaczonego w tab.  numerem . Dla innych laserów uzyskano podobne pogorszenie parametrów oczka.

NaleĪy zatem stwierdziü, Īe przy podprogowej polaryzacji wstĊpnej lasera korzystne jest sterowanie go maksymalnym dopuszczalnym prądem.

Przyczyna pogorszenia parametrów oczka przy sterowaniu mniejszym prądem daje siĊ áatwo wyjaĞniü. OtóĪ mniejszy prąd powoduje, Īe proces narastania koncentracji noĞników w obszarze aktywnym lasera jest wolniejszy, a zatem czas potrzebny do osiągniĊcia koncentracji progowej (czyli opóĨnienie odpowiedzi optycznej) jest wiĊkszy.

W kontekĞcie powyĪszych uwag nasuwa siĊ teĪ spostrzeĪenie, Īe przewaga badanych laserów MQW wynika prawdopodobnie stąd, Īe mają one niewielki

w stosunku do prądu operacyjnego prąd progowy, a co za tym idzie równieĪ progowa koncentracja noĞników jest niewielka, i moĪe byü osiągniĊta w krótkim czasie. HipotezĊ tĊ potwierdza teĪ fakt, iĪ najwiĊksze deformacje sygnaáu wystĊpowaáy w laserze oznaczonym numerem 8, który ma najwiĊkszy w stosunku do prądu operacyjnego prąd progowy. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ro zw ar ci e o cz k a [UI] prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] moc nominalna moc zredukowana 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 prĊdkoĞü transmisji [Mb/s] ji tt er zb oc za n ara st.

[UI] moc nominalna moc zredukowana

Rys. 7. Porównanie deformacji sygnaáu w przypadku nominalnej i zredukowanej mocy.

4. POMIARY

Dla weryfikacji rozwaĪaĔ przedstawionych w powyĪszym rozdziale przeprowadzono pomiary w ukáadzie przedstawionym na rys. 8.

MAX 3867

uká. nad. badany laser fotodioda

HP 54845 Infinium oscyloskop WYZW. WE regulacja prądów polaryzacji i modulacji generator sygnaáu zegarowego generator danych losowych

Rys. 8. Ukáad pomiarowy

Przykáadowe wyniki pomiarów zamieszczono na rys. 9. Porównując dane z rys. 6 i 7 z wynikami przedstawionymi na rys. 9 moĪna stwierdziü ich caákowitą zgodnoĞü. Ponadto warto zwróciü uwagĊ na widoczne na histogramach wyraĨnie rozszczepienie zboczy narastających, zgodne z opisem zamieszczonym w rozdziale 2 i przedstawionym symbolicznie na rys. 3 i 4. Na rys. 9c naniesiono dodatkowo maskĊ dopuszczalnego znieksztaácenia oczka zgodną z zaleceniami ITU G.957. Zgodnie z oczekiwaniami przebieg zmierzony lokuje siĊ poprawnie na zewnątrz konturu maski, co ostatecznie potwierdza moĪliwoĞü stosowania polaryzacji podprogowej (w tym przypadku poáową prądu progowego) w transmisjach o prĊdkoĞci rzĊdu  Gb/s.

a)

b)

maska wg G.957

c)

Rys. 9. Wykresy oczkowe i histogramy poáoĪenia zbocza narastającego; a) brak polaryzacji wstĊpnej, laser modulowany do poáowy mocy nominalnej, b) brak polaryzacji wstĊpnej, moc nominalna, c) polaryzacja poáową prądu progowego, moc nominalna.

5. PODSUMOWANIE

W pracy rozwaĪano moĪliwoĞü podprogowej polaryzacji wstĊpnej laserów pracujących w systemach transmisyjnych, w których wymaga siĊ caákowitego wygaszania lasera. Wskazano na powstające w takich warunkach znieksztaácenia sygnaáu optycznego, oraz okreĞlono je iloĞciowo. Wykazano, Īe przy caákowitym braku polaryzacji wstĊpnej moĪliwa jest jedynie transmisja z prĊdkoĞcią rzĊdu 00...200 Mb/s. Natomiast przy polaryzacji prądem wynoszącym ok. poáowy prądu progowego szybkoĞü ta wzrasta nawet do  Gb/s, przy nadal bardzo skutecznym wygaszaniu lasera.

Odnosząc siĊ do praktycznej uĪytecznoĞci przedstawionego rozwiązania naleĪy jeszcze przypomnieü problem silnej zaleĪnoĞci termicznej prądu progowego. W rozwiązaniu klasycznym jej wpáyw na pracĊ lasera jest redukowany przez ukáad sprzĊĪenia zwrotnego, który automatycznie koryguje jego punkt pracy. W ukáadzie nadawczym z podprogową polaryzacją wstĊpną, o ile ma on pracowaü w szerokim zakresie temperatur, naleĪy równieĪ zapewniü odpowiednie uzaleĪnienie prądu polaryzacji od temperatury.

6. PODZIĉKOWANIE

Praca niniejsza jest finansowana z grantu KBN nr 4TB05624.

SPIS LITERATURY

[] N.J. Frigo: „A survey of fiber optics in local access architectures”, Optical fiber telecommunications IIIA, ed. I.P. Kaminow, T.L Koch, Academic Press, San Diego, 997

[2] M. Yano K. Yamaguchi H. Yamashita: „Global Optical Access Systems Based on ATM-PON”, FUJITSU Sci. Tech. J.,35,, str. 56-70 (July 999) [3] G. Kramer, G. Pesavento: ”Ethernet passive optical

network (EPON): building a next-generation optical access network”, IEEE Communications Magazine, 62-73 (February 2002)

[4] M. LipiĔski, à. ĝliwczyĔski, P. Krehlik, A. Wolczko: „High-Speed Laser Driver for Burst-Mode Operation”, 43 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, 21-24. 09.1998, Ilmenau, vol. , str. 33-36

[5] L.A. Coldren, S.W. Corzine: Diode lasers and photonic integrated circuits, Wiley, New York, 995 [6]à. ĝliwczyĔski, P. Krehlik, M. LipiĔski, A Wolczko: „Modelowanie wáaĞciwoĞci dynamicznych laserów MQW w warunkach polaryzacji podprogowej”, PoznaĔskie Warsztaty Telekomunikacyjne, 2003