Overshooting Analysis in GPON OLT Transmitter

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1、OvershootingAnalysisinGPONOLTTransmitter半导体激光器的性能分为：①在直流偏置下的稳态（或静态）特性；②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，

2、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，τs为有源区载流子寿命；τp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

3、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

4、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(1

5、7)光子寿命的表达式(18)Relaxationoscillationmaynothavebeenaseriousproblemforlow-speedopticallinks,butitcanbeamajorissueforgigabitlinkssuchasGigabitEthernetorFibreChannel.For1.063Gbps,theROneedstobemorethan2.5GHzandmustdecayquickly.Figure3-LaserOpticalOutputWithNoBack

6、reflectionFirstthewaveforminFigure3needssomeexplanation.Asseeninthefigure,therisingedgeisfollowedbyadampedoscillation.Thisovershootandthesubsequentoscillationiscalledtherelaxationoscillation.Mostlasersexhibitthisphenomenon.Itcanbeunderstoodbylookingatthefreq

7、uencyversusamplituderesponseofthelaserasillustratedinFigure4.Figure4-FrequencyversusAmplitudeResponseofaLaserThelaserexhibitsaresonance(highgainpoint)near4.4GHzinthiscase.Thiswillbetheapproximatefrequencyoftherelaxationoscillation.Thefrequencyoftheresonancep

8、eakisafactorthatlimitsthemaximumdatarateagivenlasercantransmit.Whenthemaximumfrequencycomponentofthedatastreamgetsclosetothelaserresonancefrequency,performancedegradesquickly.Thefrequencyofthere