WDM数据传输链路中半导体光放大器的误码率分析

逍遥设计自动化

引言
8 E. I  Z/ s3 E2 g' n+ s% @半导体光放大器（SOA）在现代光通信系统中发挥着关键作用，通过提供信号放大的同时保持可接受的误码率（BER）水平。本文探讨SOA如何影响数据传输质量，并提供实施建议[1]。
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人工智能和机器学习应用对数据传输容量的需求持续增长，需要数百万条光互连。虽然增加光纤数量是一种解决方案，但提高单根光纤的比特率效率更高。然而，在使用硅调制器和多路复用器的光电子集成芯片中，发射器（Tx）的功率损耗带来显著挑战。
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$ d. l$ j8 o. e9 `1 n在光链路中的光电子集成芯片后使用SOA是一种有效方法。这种配置可以增加传输距离并降低总功耗。因此，深入理解SOA通过噪声和失真对信号质量的影响变得尤为重要。

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* u6 P; |/ @5 N! h' o: ^图1：(a) 误码率测量实验设置。(b) 发射器在4毫米SOA（工作于500毫安和47°C）前后的光谱。
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: n" l! p! v/ K; D. C0 xSOA对数据传输的影响
SOA能够显著改善链路功率预算，同时保持可接受的误码率水平。实验结果证实了这一能力适用于不同调制格式和比特率。输入功率与误码率之间呈现特征性U形曲线，在特定功率范围内性能最优。在低输入功率下，误码率主要受限于拍频噪声，这种噪声源于放大信号与放大自发辐射（ASE）之间的干涉。随着输入功率增加，误码率通常改善直至达到最优点。然而，在高输入功率下，增益饱和成为主导因素，导致信号失真和误码率增加。

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图2：(a) 400 Gb/s PAM4通过SOA和25公里光纤传输的误码率与发射功率关系。(b) 100 Gb/s NRZ传输的类似测量（无光纤）。

系统中的光通道数量显著影响SOA性能。当存在多个通道时，交叉增益调制效应需要重点考虑。这些效应可能根据具体运行条件和系统设计，对系统性能产生不同影响。通过SOA增益介质的通道间相互作用形成复杂动态，需要仔细管理以获得最佳性能。
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/ i; a0 s2 ~8 @5 u图3：包括输入功率、SOA长度、波特率和通道数量等参数对误码率影响的综合分析。
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理解SOA增益恢复
增益恢复时间是表征SOA性能的基本参数，决定了放大器对输入信号功率变化的响应速度。增益恢复时间的测量涉及分析放大器对不同频率调制输入信号的响应。通过仔细分析频率相关响应，可以提取增益恢复时间常数，并理解其与输入功率和偏置电流等运行条件的关系。

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) E  W0 b! c# ~+ s- d$ {6 ]+ L$ W图4：SOA增益恢复时间测量，显示(a)技术方案，(b)差分增益与调制频率关系，(c)恢复时间与输入功率关系，(d)恢复时间与电流关系。

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& J8 ]* a" R: k) ~+ j! Z9 d实际设计考虑
在光链路中实施SOA需要仔细考虑多个相互关联的因素。具有高饱和功率和低增益的SOA通常提供更宽的运行范围，在系统设计中提供更大灵活性。调制格式的选择显著影响系统性能，PAM4和NRZ调制方案在频谱效率和误差容限方面呈现不同权衡。

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9 ~- [6 |9 L0 U8 I图5：显示不同调制格式在(a)400 Gb/s和(b)3200 Gb/s下SOA适用区域的相图。

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6 m! M7 h# K9 o+ ^/ T性能优化
要实现SOA最佳性能，需要仔细控制运行条件和系统参数。输入功率水平必须保持在适当范围内，以避免低功率下的噪声限制运行和高功率下的饱和效应。选择SOA规格时必须考虑总比特率和通道数量，因为这些因素影响放大器维持信号质量的能力。增益恢复时间在决定系统处理高速数据传输的能力方面发挥重要作用，特别是在波分复用应用中。
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图6：显示不同系统配置性能边界的误码率与Q因子关系。

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结论
, I; I+ {4 {, F* v9 s, H/ M具有低噪声系数和高饱和功率的现代SOA能够有效支持高速数据传输，同时保持可接受的误码率水平。在正确设计和实施的情况下，SOA对整体系统误码率的贡献最小，系统误码率主要由发射器和接收器特性决定。这使SOA成为下一代光通信系统的重要组件，特别是在需要增加传输距离和降低功耗的应用中。SOA的成功实施需要仔细考虑各种运行参数和系统要求，但经过适当优化后，可以显著提升光通信系统的性能。
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参考文献
5 G' ?) s$ m$ L9 i[1] V. V. Belykh, J. Rautert, V. S. Mikhrin, and A. E. Gubenko, "Bit Error Rate in WDM Data Transmission Links with Semiconductor Optical Amplifier," Journal of Lightwave Technology, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3475885.
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