Overshooting Analysis in GPON OLT Transmitter.doc

Overshooting Analysis in GPON OLT Transmitter半导体激光器的性能分为：在直流偏置下的稳态（或静态）特性；在调制下的瞬态（动态）特性。稳态特性主要包括阈值特性、量子转换效率、输出线性、光谱特性（模式和谱线宽度）等等；瞬态特性主要涉及调制带宽、调制畸变、自脉冲等等。用高重复频率的阶跃脉冲对激光器进行调制时，激光器会产生光子对载流子的响应延迟、张弛振荡和自持脉冲振荡等。这些瞬态效应将对半导体激光器的高速调制产生不利的影响，降低光模块的通信质量，并限制传输速率。因此在设计光模块时，要充分考虑半导体激光器的工作特性。激光器的稳态与瞬态特性皆以速率方程出发。假设半导体激光器的有源区体积为V，注入有源区的电流为I，则有源区的载流子密度N和光子密度S可表示成： (1) (2)其中，s为有源区载流子寿命；p为谐振腔内光子寿命；是单位体积内产生的受激发射速率，其中正比于增益系数g；为内量子效率；为限制因之；为自发发射因子。公式(2)中代表了自发辐射对光子密度的贡献，因为，那么自发辐射对光子密度的贡献可以忽略不计。公式(2)可以改写成 (3)当达到稳态时，；即载流子密度N和光子密度S分别达到稳定值N0和S0，假设此时注入的电流是I0（即直流偏置电流），则由公式(1)和(3)推出: (4) (5)当在激光器上加上电流有偏置电流和交流调制分量，即 (6) (7) (8)其中，w为调制频率。将(6)、(7)、(8)代入(1)、(3)，利用(4)、(5)并忽略2w的高频项，可得： (9) (10)由(8)和(9)式可推得在小信号调制条件下，光子密度变化量S1(w): (11)要求得张驰振荡峰的峰值位置，即求出当分母为最小值时，的表达式如下： (12)可以推出的表达式， (13)由于括号内第一项比第二项大三个数量级以上，所以可以近似为下式： (14)在高速传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率会受到激光器的张弛振荡频率限制。半导体激光器的直接调制频率由于张弛振荡峰的存在，实际使用中其工作频率范围要小于，以保持在不同频率调制下，响应的幅度变化保持在一个很小的范围内。下面主要分析决定的因子。(14)式中是常数；S0是激光器加上偏置电流I0时，有源区产生的光子密度。设有源区的厚度为d,宽度为W,腔长为L,则稳态时输出的光功率为P0 (15)式中为波长，为有源区材料的折射率。同时根据斜率效率的定义， (16)其中，联立式(15)(16)得 (17)光子寿命的表达式 (18)Relaxation oscillation may not have been a serious problem for low-speed optical links, but it can be a major issue for gigabit links such as Gigabit Ethernet or Fibre Channel.For 1.063 Gbps, the RO needs to be more than 2.5 GHz and must decay quickly.Figure 3 - Laser Optical Output With No Backreflection First the waveform in Figure 3 needs some explanation. As seen in the figure, the rising edge is followed by a damped oscillation. This overshoot and the subsequent oscillation is called the relaxation oscillation. Most lasers exhibit this phenomenon. It can be understood by looking at the frequency versus amplitude response of the laser as illustrated in Figure 4.Figure 4 - Frequency versus Amplitude Response of a Laser The laser exhibits a resonance (high gain point) near 4.4 GHz in this case. This will be the approximate frequency of the relaxation oscillation. The frequency of the resonance peak is a factor that limits the maximum data rate a given laser can transmit. When the maximum frequency component of the data stream gets close to the laser resonance frequency, performance degrades quickly. The frequency of the resonance and the magnitude of the overshoot depend on the drive levels applied to the laser. Overshoot is generally most severe when the laser is turned completely off and then back on. This condition is avoided in most practical data links by keeping the laser always above the threshold. When modulating lasers at gigabit data rates, a matching network is often needed to reduce ringing and overshoot on the output. Figure 11 illustratessome of the locations/methods that can be used. The exact values of the components should be determined experimentally, but will often0rangefrom 0.5pF to 10pF for the capacitor and 30 to 75 for the resistor.The network should be optimized while finding a balance between overshoot and rise/fall times. Increasing the capacitance or decreasing the resistance will reduce the overshoot and slow down the edge speeds.张弛振荡作为注入式半导体激光器的固有特性!也存在于31M激光器的频率响应曲线中8具体表现在某偏置电流下!对31M激光器进行直接强度调制!其频率响应曲线会有明显的张弛振荡峰存在8对于封装好的31M激光器模块!若所使用的频段正好处于该31M激光器频率响应曲线的张弛振荡峰区间!就可能会由于张弛振荡峰位置的频响曲线变化幅度过大而无法满足实用的要求!从而限制了31M半导体激光器更为广泛的应用8针对这种情况!一般是通过增加31M激光器的偏置电流来改善频响曲线8张弛振荡峰的位置随着偏置电流的增加向更高频率方向移动!即频响曲线的带宽增加8但是!驱动电流的增加会带来一系列的问题!例如激光器的响应线性度变差!寿命缩短和稳定性变差等8更为重要的是!如果加大偏置电流!所用频段仍处于张弛振荡峰区间!则该激光器只能算是不合格产品作废8所以采取一定的措施来抑制张弛振荡峰的形成是非常必要的!本文提出一种自注入的结构就可以实现这样的目标8通过一个简单有效的实验装置!将31M激光器发出的光以一定的偏振态注入回激光器的谐振腔!就可使得激光器的频率响应曲线变得相对平坦!且使张弛振荡峰的大小得到很好地抑制!甚至几乎消失8这种方法对于推广直接调制型31M激光器的应用极有帮助。(3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。调制特性半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、张弛振荡和自脉动现象。这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。1. 电光延迟和张弛振荡 电光延迟和张弛振荡现象半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4.3所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡张弛振荡，其振荡频率fr(=r/2)一般为0.52 GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命电子自发复合寿命和谐振腔谐振腔内光子寿命内光子寿命以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。张弛振荡和电光延迟 电光延迟的后果是限制调制速率 限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调 最高调 制频率应低于张弛振荡频率 制频率应低于张弛振荡频率。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率r及其幅度衰减时间o和电光延迟时间td的表达式为：式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，sp10-9s,ph10-12s，即spph。由式4.1)式(4.3)可以看到：(1) 张弛振荡频率r随sp、ph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。(2) 张弛振荡幅度衰减时间o与sp为相同数量级，并随j的增加而减小。(3) 电光延迟时间td与sp为相同数量级