技术分享 | 半导体光放大器的双向窄脉冲调制与消光比特性分析

1 引言

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，主要利用入射光波与光纤中各类粒子发生相互 作用产生的散射信号与光纤周围温度/应变等扰动呈 一定的线性关系。因此，可通过解调散射信号判断光 纤所受外界参量的变化，从而实现全分布式传感。分布式光纤传感技术被广泛应用于桥梁沿线检测、油气管道安全等领域，但其发展也面临一些挑战，如传感距离和测量精度的提升。近年来，研究人员提出了多种技术用以提高分布式光纤传感系统各项性能参数。输入光纤中的探测脉冲光消光比（ER）是系统探测精度的一个重要影响因素。Afshar 等通过理论仿真证明，脉冲光的消光比会影响布里渊光时域分析（BOTDA）技术的传感性能，有限的消光比会导致最终参数的测量误差增大甚至错误。Lu 等从理论和实验两方面验证了提高脉冲消光比有助于改善布里渊 光时域反射（BOTDR）技术的信噪比，从而提高系统的测量精度 。结果表明 ，将消光比由25dB改善至50dB时，温度分辨率由 5. 6 ℃提升至 1. 9 ℃，信噪比提升了约8dB，传感距离也得到一定提升。这表明探测脉冲光的消光比会直接影响传感系统的信噪比，从而影响整个系统的测量精度和传感距离。传统分布式光纤传感系统中，多采用电光调制器 （EOM）和声光调制器（AOM）对连续光进行调制以产 生探测脉冲光。EOM 主要利用外加电场作用于某些晶体材料产生的电光效应实现对输入连续光的调制，且 EOM 产生的脉冲光上升沿时间短，可达到 ps 量级， 有利于传感空间分辨率的提高。但 EOM 的偏置电压 工作点易受外界环境因素影响发生偏移，造成脉冲光消光比不稳定，实际应用时需用复杂的算法和相关技术校正偏压点。此外，EOM 主要基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）原理，受加工工艺精度的限制，MZI 两条干涉臂的分光比很难做到完全一致，常见的EOM消光比只能达到30~35dB。Lu 等提出了两级EOM级联系统，将 EOM 调制后的探测脉冲光消光比提升至 50 dB，但该系统的结构复杂且插入损耗大。AOM 主要利用外加电场作用于声光器件产生的声光效应实 现对输入连续光的调制，产生的脉冲光消光比高且比较稳定，一般能达到50dB以上，但声波幅度较大且需要电-声换能 ，导致脉冲上升沿时间较长（一 般大于10ns），调制脉冲宽度最窄在20ns左右，在分布式光纤传感中限制了系统空间分辨率的提高，不适用于高空间分辨率分布式传感系统。为了得到消光比稳定且上升沿时间短的脉冲光， 人们提出使用半导体光放大器（SOA）实现脉冲光的调制。SOA调制主要通过外加电场控制泵浦电流的通断，而泵浦电流决定了半导体有源层中载流子能否 实现反转，从而控制入射光的放大与吸收，实现脉冲光 输 出 。相 比 EOM 和 AOM 调 制 ，SOA 输 出 脉 冲 光 的 消 光 比 稳 定，上 升 沿 时 间 小 于 1 ns 且 消 光 比 在 40 dB 以上，从而在实现窄脉冲的同时维持高消光比， 提升传感系统的性能。分布式光纤传感领域多采用双 端输入输出器件 SOA 产生单向脉冲光，但 SOA 也 有 单 端 输 入 输 出 型 ，即 反 射 型 SOA（RSOA），此 类 SOA 多用于光通信网络中。RSOA 输出端面上的反射涂层可使调制脉冲光反射重新进入 SOA，实现脉冲光的两次调制。相比 EOM 和 AOM 两级级联系统， 这种两次调制脉冲光的结构更简单且损耗较低。目前 RSOA 产品多针对光通信领域，且 RSOA 器 件内部有源层和无源层的宽度等结构参数也会发生改 变，不适用于分布式光纤传感领域，而基于普通 SOA 双向工作特点实现脉冲光两次调制的相关研究较少。因此，本文提出了一种双向脉冲调制的 SOA 系统，以 模拟 RSOA 的反射面结构。在双端 SOA 的输出端连 接光纤反射镜，使第一次脉冲光反射重新进入 SOA 内 进行二次脉冲调制，最终输出往返两次调制的脉冲光。从 脉 冲 光 消 光 比 与 SOA 调 制 原 理 出 发 ，提 出 双 向 SOA 系统架构并建立了系统性能验证实验，重点分析 了双向 SOA 系统相较于单向 SOA 系统在放大脉冲光 峰值功率和吸收泄漏光强度上的提升情况，同时分析 了系统性能的影响因素，总结了双向 SOA 系统应用的 最佳条件以及消光比的改进情况。

 2 基本原理

2.1 脉冲消光比与 SOA 调制 

脉冲消光比是衡量调制脉冲光质量的参数之一，指 脉 冲 光 输 出 平 均 功 率“1”与“0”之 比 ，单 位 为 dB。SOA 主 要 由 无 源 层（Passive layer）和 有 源 层（Active layer）构成：当注入的泵浦电流大于阈值电流时，有源 层的载流子发生受激辐射并产生与入射光相同的光 子，实现入射光的放大；无泵浦电流或注入的泵浦电流 小于阈值电流时，入射光被吸收［31］。因此，可通过控制 泵浦电流的通断实现连续光到脉冲光的转换。图 1 为 SOA 调制脉冲光的过程。功率为 P0 的连续光（CW） 进 入 SOA 中 ，通 过 控 制 泵 浦 电 流 的 通 断（Drive switch）使连续光在泵浦电流有效的脉冲宽度（PW）内 完成放大，放大后脉冲的功率为 P0 G。其中，G 为增益 系数。无泵浦电流时间内连续光被吸收，由于调制器 件特性，连续光无法被完全吸收，存在泄漏光，对应的 功率为 P0 A。其中，A 为吸收系数。输出脉冲光的消光比可表示为：

图 1 SOA 调制脉冲的机理

脉冲的消光比与增益系数 G 和吸收系数 A 密切相关。为了尽可能地提高脉冲光的散射强度，增益系数 G 应尽可能大。泄漏光在时间上远远大于脉冲宽度，即泄漏光引起的散射光是传感系统中相当长一段光纤中的散射光，并在接收端累积起来成为一种背景噪声。为了减小泄漏光强度，降低背景噪声，吸收系数 A 应越 小越好。因此，如何提高 SOA 的增益系数并减小其吸收系数，增大脉冲光的峰值功率和减小泄漏光的强度， 对提升脉冲光的消光比具有重要意义。

2.2双向 SOA 系统

SOA具有双端输入输出（光端口既能作为输入端口也可作为输出端口）的特点，能实现双向工作。本研究在双端SOA的输出端连接一个光纤反射镜，使SOA第一次输出的脉冲光反射重新进入SOA，进行第二次脉冲调制，实现脉冲光双向调制SOA系统。具体工作原理如图2所示。其中，连续光由入射口A进入SOA进行第一次调制，调制输出的脉冲光从出射口B输出。单次调制脉冲光（Modulatedpulselight）经光纤反射镜（FOM）反射，产生的反射脉冲光（Reflectedpulselight）再次进入SOA的有源层完成二次调制，最后从SOA入射口A输出脉冲光。因此，连续光进入双向SOA系统经过了两次放大和吸收，对应的放大倍数和吸收倍数得到了进一步增加，进而提升了脉冲消光比。

图 2 双向 SOA 系统的结构

为了保证反射脉冲光重新进入SOA时均处于SOA的“放大”时间，双端SOA输出B端与光纤反射镜间的距离理想状态下应该为0，在工艺条件具备时，可将光纤反射镜作为双端SOA 输出端面的反射涂层， 成为一个单端 SOA，实现无延迟的反射，避免反射脉冲光在光纤上往返时间消耗，缩短调制脉冲宽度。而目前生产商提供的单端输入输出SOA多用于光通信领域，适用于光纤传感领域的产品较少。因此，受限于实验条件，将双端 SOA 输出 B 端与光纤反射镜的最小 距离控制在 2m，但依然可以验证双向系统在消光比 上的提升能力。

3 实验结果与分析

3.1 脉冲光的放大特性实验与结果分析

图 3 为研究双向 SOA 系统脉冲光放大特性的实验结构图。该系统采用超窄线宽可调谐激光器（中心 波长为 1550. 1 nm）作为光源产生连续光，并通过光衰减器（OA）输 入 三 端 口 环 形 器（CIR）1 口 。SOA（INPHENIX IPSAD1502）连接在 CIR 的 2 口，将连续 光调制为脉冲光。其中，任意波形发生器（AWG）用以 产生周期为 1 μs，脉冲宽度为 40 ns 的电脉冲作为 SOA 驱动以控制脉冲光的调制，并为后期采集提供同步触发信号。

图 3 双向放大 SOA 系统的实验结构

SOA 调制输出的脉冲光经 FOM 反射重新进入 SOA 被调制，由 SOA 的 A 端输出二次调制脉冲光，环形器 3 口输出。光电探测器（PD）将输出光信号转换为电信号 ，后期电信号通过数据采集模块National Instruments PXIe-5162以250MHz的采样频率完成信号采样，采集100万组脉冲并经过叠加平均降低噪声以提高信号幅度的分辨精度。为了与单向SOA 调制进行对比，探测测试点为两个，分别为单次调制脉冲光和双向调制脉冲光，对应图3中的①和②。

图 4 双向 SOA 调制脉冲光与单向 SOA 调制脉冲光对比

图4为SOA输入端A口输入连续光功率为−25dBm时，双向SOA系统调制脉冲光与单向SOA系统调制的脉冲光。可以发现，单向SOA的峰值功率约为0.25mW，双向SOA调制脉冲光的峰值功率约为0.75mW，峰值功率为单向SOA的3倍。这表明经过SOA的再次放大，脉冲光峰值功率也得到进一步放大。双向SOA与单向SOA系统的同步触发脉冲时刻一致，但两个采集点光纤的距离延时不一致，两个调制 脉冲光存在的延时 t1=10ns，但该延时不会影响实验 结果。此外，双向调制存在一段峰值功率约为 0. 11 mW 的脉冲光，持续时间 t2=20 ns，之后才出现二次调制脉 冲光，持续时间 t3=20ns。原因是在驱动脉冲控制下 SOA 刚进入放大状态时，光路的反方向上还没有脉冲光被反射回来，此时光路反方向上 SOA 放大的是自发辐射且通过CIR的3口输出。根据光纤中的时间-距离对应关系计算出该段持续时间的光纤距离恰好对应SOA与FOM的光纤距离（2m），因此，可通过缩短 SOA与FOM 的距离消除该部分自发辐射光。由于驱动脉冲的总宽度为40ns，SOA和FOM间的光纤延迟为20ns，尽管正向光路上第一次调制产生了40ns的光脉冲，经过反射后仅有20ns 的光脉冲能在反向光路上被再次放大，剩余20ns 的光脉冲则被 SOA 吸收，导 致经往返两次放大的光脉冲宽度缩短到20ns。同样，这种现象也可以通过缩短 SOA 与 FOM 的距离避免。 

图 5 双向 SOA 调制与单向 SOA 调制增益对比

图 5 为双向 SOA 与单向 SOA 输出脉冲光增益随输入光功率的变化曲线。可以发现：在输入光功率较小时，双向 SOA 增益一直大于单向，且二者的差值较大，在−25dBm 附近时最大，为 6. 18 dB；随着输入功率的增大，双向 SOA 与单向 SOA 的增益都会逐渐降 低 ，在0dBm附近开始进入衰减区 。这主要受限于 SOA 的饱和输出等因素：输入功率增加到一定大小 时，SOA 载流子也被迅速消耗，不能保障光子的受激辐射，导致两者的增益均呈下降趋势；当入射光功率小于−5dBm 时，双向 SOA 中第二次进入 SOA 内的反 射脉冲光功率均小于 0 dBm，处于 SOA 增益区，对反射脉冲光放大时双向SOA的增益 大于单向SOA 增益，且由于SOA 的饱和输出特性，两者的增益差值逐渐减小 ；当输入功 率大于−5dBm时 ，第二次进入SOA内的反射脉冲光功率大于0dBm，SOA 处于衰减区，进一步减弱了反射脉冲光的输出，此时双向 SOA 的增益小于单向 SOA 的增益。因此根据SOA的增益饱和特性，提高脉冲消光比需要更大饱和输出的SOA，这也表明实验中采用的SOA器件在双向系统中更适用于低功率段。

图 6 双向 SOA 系统的增益曲线。（a）增益与脉冲宽度的关系；（b）增益与泵浦电流的关系

图6为脉冲宽度以及SOA泵浦电流大小对双向SOA增益曲线的影响。图6（a）为SOA泵浦电流大小为120mA，脉冲宽度分别为40、50、60、70、300ns时双向SOA的增益曲线。可以发现：随着输入光功率的增大，由于SOA增益饱和，5条曲线均呈下降趋势；在相同输入光功率下，随着脉冲宽度的增加，脉冲曲线间的差值逐渐减小，相邻曲线间的差值在0.5dB上下波动。考虑到实验误差，增益会更小，因此，针对双向SOA系统，基本可认为脉冲宽度对增益特性的影响不大。实验中采用SOA的标准泵浦电流为120mA，因此选取该值上下20mA的电流进行分析。图6（b）为脉冲宽度为40ns，SOA泵浦电流分别为100、110、120、130、140mA时双向SOA的增益曲线。可以发现，随着输入光功率的增加，5 条曲线均呈下降趋势。但在同一输入光功率下，不同泵浦电流曲线间的差值 较大：当 SOA 泵浦电流在 100~120 mA 时，增益随泵 浦电流的变化线性变化，相邻曲线间的差值在 2. 5 dB 上下波动；泵浦电流继续增大时，由于载流子浓度确 定，增益的提升效果不明显且逐渐趋于饱和。整体上 泵浦电流对于增益的影响较大。这表明泵浦电流是双 向 SOA 系统性能的影响因素之一，且最佳工作泵浦电 流为 120 mA 左右。综上所述，双向 SOA 系统增益特 性与泵浦电流的大小有关，与脉冲宽度的关系不大。

3.2 连续光的吸收特性实验与结果分析

由于图 3 中直接探测的系统噪声较大，SOA 吸收后的残留光基本被系统噪声淹没，图 4 中的基线不能直接表征残留光的强度。为了提高对微弱残留光信号的探测能力，进一步采用相干探测方案研究系统的吸 收特性。由图 4 可知，双向调制后的脉冲宽度较单向调制后的脉冲宽度缩短了 20ns，即有部分放大后的脉冲被 SOA 吸收了，这表明 SOA 能在放大状态和吸收状态之间以 ns 量级的速度快速切换。但脉冲的吸收紧随脉冲放大，吸收后的残留光受放大后高强度脉冲光的影响，难以准确定量分析吸收过程。因此，在分析吸收特性时，将SOA与FOM的距离由2m延长至18m以减小高强度脉冲光的影响，保证反射光进入SOA时均处于吸收状态。

图 7 SOA 吸收特性的实验结构。（a）单向吸收；（b）双向吸收

实验结构如图7（a）所示。激光器输出光经分束比为50∶50的保偏耦合器（coupler1）分为两路，一路作为参考光，另一路经CIR进入SOA输入端，SOA将输入连续光调制为脉冲光。其中：AWG用以产生周期为1μs，脉冲宽度为70ns的电脉冲作为SOA驱动以控制脉冲光的调制；SOA 调制输出的脉冲光经18m 延迟光纤后被 FOM 反射，再重新进入原来的 SOA 被吸收。吸收后的光经环形器 3口输出，并由偏振控制器控制偏振态，与参考光通过2×2 保偏耦合器2混频后经平衡探测器进行光电探测。同样，对采集的 100 万组脉冲信号进行叠加平均降低系统噪声以提高系统对微弱信号的检测能力。

图 8  SOA 有无 FOM 连接时环形器 3 口的探测结果

图8为环形器3口输出的探测结果以及SOA末端未连接FOM时的探测结果。可以发现，连接和未连接FOM时，在探测结果开始端均存在一段脉冲宽度为70ns、强度为0.053mW的输出光。原因是SOA自发辐射光在SOA放大状态中被放大输出，且此时SOA反向光路上无光输入。110ns后，SOA处于吸收状态，相对于未连接FOM的SOA系统，连接FOM的探测结果中存在一段差值为3.0×10−4mW（−35dBm）、宽度为70ns的微弱脉冲光。微弱脉冲光与自发辐射光的时间延迟为180ns，对应SOA与FOM间18m的光纤距离。这表明微弱脉冲光来源于SOA单次调制输出后的脉冲光经FOM反射进入SOA被吸收后的残留光。同时，测量得到SOA产生的单向调制脉冲光峰值功率约为6dBm，因此SOA的单向吸收率约为41dB。此外，放大后的自发辐射光与吸收后的微弱脉冲光间隔为110ns，表明SOA能在ns量级迅速完成放大状态到吸收状态的转换。而分布式传感系统中，脉冲宽度一般在ns量级，脉冲间隔则在数十μs量级，且脉冲间隔远大于SOA的状态切换时间，因此可认为分布式光纤传感系统中SOA的放大和吸收两个过程是相对独立的，可独立测量分析SOA的动态消光比。对于图7（b）中的实验：SOA1产生脉冲宽度为100ns、峰值功率为6dBm的高强度脉冲光。SOA未加脉冲电流驱动时，工作在吸收状态。高强度脉冲光经CIR进入SOA被单次吸收，该吸收光经FOM完成反射，返回SOA被二次吸收，二次吸收脉冲光最终由CIR3口输出。

图 9 双向吸收与单向吸收 SOA 系统的脉冲光增益

图9为SOA1输出脉冲光与经SOA两次吸收后的输出结果。其中，输出光功率相对于SOA1输出脉冲光峰值功率进行了归一化处理，以显示相对功率大小。SOA1电路阻抗失配等因素导致脉冲光下降沿比较缓慢，但并不影响整体测量结果。可以发现：SOA1输出脉冲光经第一次SOA吸收，峰值功率衰减了约42dB，与图8中SOA的单次吸收率接近；单向吸收光经反射重新进入SOA被二次吸收，光峰值功率再次减小30dB以上，整体吸收率达到了72dB以上。这表明双向吸收能进一步减弱泄漏光强度。

4结论

利用SOA能够双向工作的特性提出了一种双向SOA脉冲光调制技术。实验结果表明，双向脉冲调制能实现输入光的二次放大和吸收。在低输入光功率下，SOA脉冲光的双向增益较单向SOA最大提升了6.18dB，且该增益特性与脉冲宽度无关，与SOA泵浦电流和增益饱和功率相关。在吸收特性方面，双向吸收能进一步削弱泄漏光强度，将峰值功率为6dBm的脉冲光输入SOA，双向吸收较单向吸收增加了30dB以上，整体吸收率达到了72dB以上。结合放大过程的额外增益和吸收过程中的额外吸收可以发现，相比单向SOA系统，双向SOA系统对于窄脉冲调制在理论上能使消光比提升36.18dB以上。因此，采用双向SOA脉冲调制产生更高消光比的脉冲光，对于提高分布式光纤传感系统的性能具有一定意义。此外，本研究也表明，将双端SOA的一个输出端面镀全反射膜构成的单端SOA能实现更高消光比的脉冲光，后续还将进一步研究双向调制SOA运用于分布式光纤传感系统时的性能改善情况。

[作者] 江琳，李威，李映函，程凌浩

[来源期刊] 激光与光电子学进展

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