LASEROWY UKŁAD NADAWCZY O DUŻEJ EKSTYNKCJI PRZEZNACZONY DO TRANSMISJI PAKIETOWEJ

(1)

2004

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Przemysław Krehlik

Łukasz Śliwczyński Andrzej Wolczko Marcin Lipiński

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

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

LASEROWY UKŁAD NADAWCZY O DUŻEJ EKSTYNKCJI PRZEZNACZONY DO TRANSMISJI PAKIETOWEJ

Streszczenie: W pracy przedstawiono koncepcję układu nadawczego o dużej ekstynkcji (wygaszaniu), przeznaczo- nego do transmisji pakietowej. Układ charakteryzuje się wysoką ekstynkcją nie tylko podczas przerw między pakie- tami, ale też w aktywnej fazie transmisji. Ponadto, w od- różnieniu od typowych rozwiązań, nie wymaga on ze- wnętrznego sterowania. Przedstawiono też wyniki pomia- rów prototypowego układu nadawczego, zbudowanego w oparciu o opisaną koncepcję.

1. WSTĘP

Transmisja pakietowa w systemach światłowodo- wych stosowana jest głównie w sieciach wielodostępo- wych PON (Passive Optical Network) wykorzystujących zwielokrotnienie z podziałem czasowym (ang. TDMA – Time Division Multiple Access). Sygnały optyczne nadawane są przez wielu użytkowników w przydzielo- nych im szczelinach czasowych, i sumując się w pasyw- nym sprzęgaczu światłowodowym łącznie docierają do układu odbiorczego w urządzeniu centralnym.

Można wskazać dwa istotne powody, dla których konwencjonalny układ nadawczy nie może być stosowany w powyższym przypadku. Po pierwsze, w układzie

„klasycznym” stabilizacja punktu pracy lasera opiera się na monitorowaniu i stabilizacji w sprzężeniu zwrotnym wartości średniej emitowanej mocy optycznej. W przypadku transmisji pakietowej średnia moc optyczna zale- ży od czasu trwania nadawanych pakietów i odstępów między nimi, a zatem nie może być użyta jako sygnał sterujący w układzie polaryzacji lasera.

Drugi istotny problem powstaje w związku z su- mowaniem w sprzęgaczu optycznym sygnałów z wielu (do 64) układów nadawczych. Jeżeli przyjąć typowe rozwiązanie, że nadajnik laserowy w stanie niskim nie jest całkowicie wygaszany, lecz emituje moc rzędu 5%...20% wartości w stanie wysokim, w sieci PON powstaje bardzo duża składowa stała mocy optycznej od nieaktywnych w danym momencie układów nadawczych. Może ona wielokrotnie przewyższać amplitudę sygnału generowanego przez nadajnik aktywny, co z kolei zasadniczo utrudnia detekcję sygnału w urządzeniu odbiorczym. (Składowa stała generuje szum śrutowy w fotodiodzie, może też powodować przesterowanie przedwzmacniacza odbiorczego.) Dlatego wymaga się, by moc optyczna emitowana przez nieaktywne w danym momencie nadajniki była możliwie mała.

Typowe rozwiązanie układu nadawczego do transmisji pakietowej przedstawia rys. 1.

W fazie aktywnej (transmisja pakietu danych) obydwa zaznaczone symbolicznie przełączniki są załączone i działanie układu jest identyczne z pracą zwykłego nadajnika ze stabilizacją średniej mocy optycznej lasera. W fazie nieaktywnej (przerwa między pakietami) prąd polaryzacji lasera zostaje wyłączony (w celu skuteczne- go wygaszenia lasera). Wartość sygnału sterującego źródło prądu polaryzacji zostaje zapamiętana, dzięki czemu unika się procesu przejściowego w pętli stabilizacji punktu pracy lasera, który pojawiałby się każdorazo- wo przy włączeniu pętli na początku pakietu.

moduł laserowy

monitor laser

„burst enable”

dane IBIAS

IMOD

IREF

C

Rys. 1. Typowy układ nadawczy do transmisji pakietowej.

Jak zatem widać, rozwiązanie takie wymaga dodat- kowego sygnału sterującego pracą układu nadawczego.

Co więcej, sygnał ten musi pojawić się z odpowiednim wyprzedzeniem w stosunku do pakietu danych, ze względu na efekt opóźnienia włączenia lasera (ang. turn- on delay) [1, 2].

Należy też zauważyć, że skuteczne wygaszanie (ekstynkcja) zachodzi tylko w fazie nieaktywnej. Pod- czas transmisji pakietu współczynnik ekstynkcji (tj.

stosunek mocy stanu wysokiego do mocy stanu niskie- go) ma umiarkowaną wartość rzędu 10...15 dB.

Ponadto w praktycznych realizacjach tego typu układów nadawczych występują ograniczenia minimal- nego czasu trwania pakietu, jak i przerwy między pakietami [3].

W niniejszej pracy przedstawiona zostanie koncep- cja i prototypowa realizacja układu nadawczego nie wymagającego zewnętrznego sterowania oraz charakte-

(2)

ryzującego się wysokim współczynnikiem ekstynkcji zarówno w fazie nieaktywnej, jak też aktywnej.

Ponieważ skuteczne wygaszanie lasera wymaga re- dukcji prądu sterującego poniżej wartości prądu progowego, ponowne włączenie lasera (zainicjowanie akcji laserowej) związane jest z pewnym opóźnieniem, które w przypadku szybkiej modulacji znacząco deformuje generowany sygnał optyczny. Ze względu na istotność tych zjawisk w kontekście układów nadawczych o wysokiej ekstynkcji, zostaną one pokrótce omówione w poniższym rozdziale.

2. ZNIEKSZTAŁCENIA DYNAMICZNE SYGNA- ŁU OPTYCZNEGO W WARUNKACH POLARY-

ZACJI PODPROGOWEJ

Opóźnienie włączenia lasera spolaryzowanego wstępnie prądem mniejszym od progowego wynika ze stosunkowo powolnego narastania koncentracji nośni- ków w obszarze aktywnym. Akcja laserowa, a zatem i znacząca moc optyczna pojawia się dopiero, gdy koncentracja nośników osiągnie wartość progową. Ponieważ akcja laserowa praktycznie eliminuje dalsze magazyno- wanie nośników, od momentu osiągnięcia koncentracji progowej możliwa jest szybka modulacja lasera, tj. moc optyczna nadąża za zmianami prądu sterującego w pa- śmie co najmniej kilku GHz.

Jakkolwiek zjawisko opóźnienia włączenia lasera jest powszechnie znane, trudno znaleźć w literaturze konkretne dane liczbowe, lub dotyczą one laserów o przestarzałej konstrukcji. Dlatego zdecydowano się wy- konać serię pomiarów opóźnienia różnych laserów transmisyjnych, w różnych warunkach polaryzacji i modulacji, dla różnych temperatur. Przykładową zależ- ność opóźnienia włączenia od prądu polaryzacji wstęp- nej, unormowanego do prądu progowego, przedstawia rys. 2.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

IBIAS/ITH

opóźnienie włączenia [ns] 20°C 60°C

Rys. 2. Przykładowa zależność opóźnienia włącze- nia lasera od prądu polaryzacji wstępnej.

Ogólne wnioski z pomiarów są następujące:

• Wszystkie mierzone lasery o konstrukcji z wieloma studniami kwantowymi (MQW) wy- kazywały w porównywalnych warunkach po- dobne opóźnienia, mino że różniły się warto- ściami prądów progowych, rodzajem rezonato-

ra (FP i DFB), także długością emitowanej fali (II i III okno transmisyjne). Lasery starszej konstrukcji (bez struktury MQW) charaktery- zowały się dwu- trzykrotnie większym opóź- nieniem.

• Zależność opóźnienia od prądu polaryzacji wykazuje silną tendencję malejącą przy zwięk- szaniu polaryzacji od zera do 0,1...0,2 wartości prądu progowego. Sugeruje to możliwość za- stosowania takiej niewielkiej polaryzacji za- miast proponowanej niekiedy polaryzacji ze- rowej [4, 5].

• Mimo, że prąd progowy lasera (a zatem i pro- gowa koncentracja nośników) bardzo silnie zależy od temperatury, opóźnienie jest w miarę stałe, o ile polaryzujemy laser prądem stano- wiącym ustaloną część prądu progowego, i modulujemy go prądem odpowiadającym no- minalnej mocy optycznej.

• Redukcja prądu modulującego (np. w celu ograniczenia emitowanej mocy optycznej) powoduje istotne zwiększenie opóźnienia włą- czenia lasera.

Rozważane do tej pory opóźnienie włączenia doty- czyło domyślnie sytuacji, gdy koncentracja nośni- ków miała w chwili przyłożenia impulsu prądu wartość ustaloną, wynikającą z prądu polaryzacji wstępnej. Jednakże w przypadku sterowania lasera ciągiem impulsów (transmisja sygnału binarnego), kolejne impulsy mogą się pojawiać zanim koncentracja nośników zdąży zaniknąć do wartości ustalonej. W takiej sytuacji opóźnienie odpowiedzi optycznej ulegnie zmniejszeniu, zależnemu od od- ległości czasowej między poprzednim i bieżącym impulsem prądu, czyli od ilości „zer” przed rozwa- żaną „jedynką”. Mamy wtedy do czynienia nie tylko z opóźnieniem, ale też jitterem narastających zboczy sygnału optycznego. Sytuację taką można zobrazować histogramem opóźnień zboczy sygnału optycznego w warunkach modulacji lasera danymi losowymi, przedstawionym na rys. 3.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

prawdopodobieństwo

opóźnienie [ns]

-0.1

zb. opadające

zb. narastające

Rys. 3. Przykładowy histogram opóźnień zboczy.

Zbocza opadające nie są opóźnione, odpowiada im prążek w zerze, o amplitudzie prawdopodobieństwa równej 0,5. Kolejny prążek odpowiada najmniejszemu opóźnieniu zbocza narastającego, które występuje, gdy

(3)

wcześniej nadawano dokładnie jedno „zero”. Prawdopo- dobieństwo tej sytuacji wynosi 0,25. Większe opóźnienie występuje, gdy przed rozpatrywanym zboczem narasta- jącym wystąpiły dwa „zera”, itd. Przy coraz większej liczbie „zer” opóźnienie zbliża się do wartości ustalonej, wynikającej z prądu polaryzacji, przy jednocześnie zani- kającym prawdopodobieństwie coraz dłuższych sekwen- cji „zer” przed rozpatrywanym zboczem.

3. PROPONOWANE ROZWIĄZANIE UKŁADU NADAWCZEGO O DUŻEJ EKSTYNKCJI Opracowując przedstawione poniżej rozwiązanie przyjęto wymaganie, by w pracy układu nie wyróżniały się fazy aktywna i nieaktywna, tj. by przerwy między pakietami były tożsame z nadawaniem „zer”. Eliminuje to konieczność zewnętrznego sterowania pracą układu i powoduje, że wygaszanie lasera jest takie samo w prze- rwach między pakietami, jak podczas nadawania sym- boli logicznego „zera” w trakcie trwania pakietu. W celu osiągnięcia dużego współczynnika ekstynkcji założono podprogową polaryzację wstępną lasera. Z kolei w celu zapewnienia możliwie dużej szybkości modulacji zało- żono wyposażenie nadajnika w układ korekcji znie- kształceń związanych z opóźnieniem włączenia lasera.

Uproszczony schemat układu nadawczego przedstawia rys. 4. Prąd polaryzacji lasera zadawany jest przez źródło prądowe I_BIAS, modulacja pochodzi z prądu

1 MOD2 MOD I

I + , kluczowanego przez binarny sygnał danych. Pętla automatycznej polaryzacji i stabilizacji mocy lasera porównuje prąd fotodiody monitorującej laser z prądem I_REF′ (ściślej – porównuje ich wartości średnie). Różnica tych prądów stanowi sygnał błędu wpływający na prądy I_POL i I_MOD₁. Ponieważ współ- czynnik wypełnienia prądu monitora jest taki sam jak prądu I_REF′ (obydwa zależą od sygnału danych) stan równowagi pętli daje się ostatecznie sprowadzić do wa- runku, że prąd monitora w stanie włączenia lasera (podczas nadawania „jedynki”) jest równy prądowi źródła IREF. (Zakłada się tu, że moc emitowana przez laser w stanie niskim wynosi praktycznie zero, oraz że układ prekompensacji opóźnienia włączenia lasera działa poprawnie.) Zatem od wartości prądu I_REF oraz czułości i skuteczności sprzężenia monitora zależy moc sygnału emitowanego przez laser.

Istotnym jest fakt, że pętla sprzężenia zwrotnego wpływa nie tylko na prąd polaryzacji I_BIAS, ale też na jeden ze składników prądu modulacji - I_MOD₁. Jeżeli zapewnimy taką konstrukcję źródeł sterowanych I_BIAS i

1

IMOD , że stosunek ich prądów jest pewną stałą liczbą, tj. I_MOD₁/I_POL=M , oraz zapewnimy by:

ρ

1/

2 P

I_MOD = (gdzie: ρ jest nachyleniem charaktery- styki emisyjnej lasera, P mocą w stanie wysokim), to w₁ układzie ustali się taka sytuacja, że:

TH MOD

BIAS I I

I + ₁= , gdzie I_TH jest prądem progowym lasera. Wynika z tego, że: ^IBIAS^/^ITH ⁼¹^/

(

^M ⁺¹

)

, czyli że stosunek prądu polaryzacji do prądu progowego nie

zależy od wartości tego drugiego, a zatem i od jego ter- micznej zmienności. Rys. 5 przedstawia graficzną ilu- strację powyższych stwierdzeń.

IBIAS

IMOD2

moduł laserowy

monitor laser

układ prekompensacji

opóźnienia dane

zegar

IREF

IMOD1 klucz

prądu ref.

klucz prądu modul.

I’REF

C

Rys. 4. Uproszczony schemat układu nadawczego.

P

₁

T

₁

T >T

₂ ₁

I

_BIAS

I

_MOD1

I

_MOD2

Rys. 5. Prądy polaryzacji i modulacji dla różnych temperatur.

Dążenie do utrzymania, niezależnie od zmian temperatury, stałego stosunku I_BIAS/I_TH wynika z sygnali- zowanej już obserwacji, że w takich warunkach opóź- nienie włączenia lasera prawie nie zależy od temperatury, co znacznie ułatwia jego kompensację.

Układ prekompensacji opóźnienia włączania lasera ma za zadanie odpowiednio wyprzedzić położenie nara- stających zboczy prądu modulującego laser. Jednakże stała prekompensacja umożliwia jedynie korekcję śred- niego położenia narastających zboczy sygnału optycznego, nie eliminując ich jitteru. Ponieważ jitter (zmienność opóźnienia) zależy od ilości „zer” przed rozpatrywanym zboczem, również korekcja powinna od niej zależeć.

Analizując histogram przedstawiony na rys. 3 można zauważyć, że stosunkowo prostym i skutecznym rozwią- zaniem powinno być zastosowanie mniejszej prekompensacji dla wyraźnie „odstającego” prążka najmniej opóźnionego zbocza narastającego, i wspólnego więk- szego dla stosunkowo skupionych prążków pozostałych.

(4)

Uproszczony schemat układu prekompensacji przedstawia rys. 6. Przerzutniki FF1 i FF2 zapamiętują wartości sygnału logicznego z dwu poprzednich taktów zegara. Bieżąca dana wystawiana jest na wyjście poprzez przerzutnik FF3 taktowany przebiegiem zegarowym

mającym trzy możliwe fazy zbocza aktywnego, zależnie od wartości bitów z poprzednich taktów. W efekcie w sygnale wyjściowym narastające zbocza sygnału poja- wiają się wcześniej niż opadające, przy czym wyprze- dzenie jest większe, gdy zbocze poprzedzone jest dwoma lub więcej „zerami”.

4. WYNIKI EKSPERYMENTALNE

Układ nadawczy wykorzystujący opisaną powyżej ideę został praktycznie zrealizowany i przebadany. Sto- sunek wydajności źródeł prądowych I_POL i I_MOD₁ do- brano tak, by uzyskać polaryzację prądem wynoszącym 0,2 wartości prądu progowego. Prąd I_MOD₂ wynosił 15 mA, co dla zainstalowanego lasera dawało moc optyczną stanu wysokiego wynoszącą 1,5 mW. Układ prekompensacji dostrojono tak, by uzyskać minimaliza- cję zniekształceń dla transmisji z prędkością 622 Mb/s.

Zmierzony współczynnik ekstynkcji wynosił 39 dB. Skuteczność układu prekompensacji opóźnienia włączania lasera ilustrują rys. 7a i 7b. Rys. 7a przedstawia wykres oczkowy w sytuacji wyłączenia układu prekompensacji, rys. 7b – po jego włączeniu. Zastosowanie układu prekompensacji zniekształceń spowodowało blisko czterokrotną redukcję międzyszczytowego roz- proszenia pozycji zboczy sygnału w wykresie oczko- wym, do wartości zaledwie 0.08 UI. Odchylenie standardowe pozycji zboczy zmalało około dziewięć razy, do szczątkowej wartości 0.012 UI.

Badano też wpływ zmian temperatury lasera na pracę układu. Chłodzenie lasera do temperatury 0°C nie powodowało zauważalnych zmian, natomiast przy pod- grzewaniu go do 60°C ujawniało się minimalne niedo- kompensowanie opóźnienia włączania lasera - odchylenie standardowe pozycji zboczy rosło do 0.037 UI, co ciągle jest wartością całkowicie akceptowalną. Sytuację tę przedstawia rys. 7c.

Następnie zamieniono wykorzystywany dotychczas laser kolejno na dwa inne. Każdorazowo dobierano jedynie wartość prądu referencyjnego w układzie stabilizacji punktu pracy lasera adekwatnie do czułości fotodiody monitorującej dany laser. Innych parametrów układu nie modyfikowano. W obydwu przypadkach

otrzymano poprawną pracę układu, w szczególności zadowalającą korekcję zniekształceń czasowych sygnału optycznego.

(a)

(b)

(c)

Rys. 7. Wykresy oczkowe i histogramy położenia zboczy: (a) - bez prekompensacji opóźnienia włączania

lasera, (b) – po zastosowaniu prekompensacji, (c) – z prekompensacją, w temp. 60°C.

5. WNIOSKI

W pracy zaproponowano rozwiązanie laserowego układu nadawczego o wysokiej ekstynkcji, który może być stosowany zarówno dla transmisji ciągłej jak i pakietowej. W prototypowym urządzeniu uzyskano współ- czynnik ekstynkcji 39 dB. Mimo głęboko podprogowej polaryzacji lasera zastosowany układ prekompensacji opóźnienia włączenia lasera skutecznie redukuje znie- kształcenia wyjściowego sygnału optycznego.

Odnosząc się do użyteczności technicznej propo- nowanego rozwiązania należy wskazać, że układ pracuje poprawnie w szerokim zakresie temperatur nie wyma- gając żadnego „strojenia”. Również zmiana egzemplarza lasera nie wymaga obszerniejszej niż standardowa pro- cedury nastawiania parametrów układu nadawczego.

Natomiast uciążliwa jest ewentualna procedura reduk- cji mocy nadajnika, ponieważ wymagałaby ona, poza zmianą prądu I_MOD₂, również zmiany ustawień układu prekompensacji zniekształceń.

SPIS LITERATURY

[1] L.A. Coldren, S.W. Corzine: Diode lasers and photonic integrated circuits, Wiley, New York, 1995

D C

Q

D C

Q

D

C Q

Q dane

we

zegar dane

wy FF1 FF2

FF3

τ1

τ2

τ3

tC1

tC2

tC1=τ3-τ2

tC2=τ3-τ1

Rys. 6. Układ prekompensacji opóźnienia włączania lasera.

(5)

[2] G. Morthier, P. Vankwikelberge: Handbook of distributed feedback laser diodes, Boston, Artech House, 1997

[3] MAX3656 155Mbps to 2.5Gbps Burst-Mode Laser Driver, www.maxim-ic.com

[4] M. Yano K. Yamaguchi H. Yamashita: „Global Optical Access Systems Based on ATM-PON”, FUJITSU Sci. Tech. J.,35,1, str. 56-70 (July 1999) [5] E. Sackinger, Y. Ota, T. J. Gabara, C. Fischer:

“15mW, 155Mb/s CMOS Burst-Mode Laser driver with Automatic Power Control and End-of-Life Detection”, IEEE International Solid-State Circuits Conference, (1999)