光再生技术与光路可控技术-波长变换...ppt

第4章光再生技术 主要内容 4 1信号再生的概念与光再生技术的概况4 1 1信号再生的概念4 1 2光再生技术概况4 2光放大技术4 2 1掺铒土元素光纤放大器4 2 2拉曼光纤放大器 RFA 4 2 3半导体光放大器4 3光整形技术4 3 1基于非线性光环形镜 NOLM 的光判决门4 3 2基于半导体光放大器的光判决门4 3 3基于非线性饱和吸收效应的光判决门 1光再生技术 一个完整的信号再生包括放大 定时 整形三部分 又称3R再生 3R再生的示意图见课本P56 值得注意的是 虽然一个完整的光再生包含了三个过程 成为3R功能 但是这三个功能并不是并列关系 而是有优先级的顺序 1R功能特质再放大过程 2R功能则是指再放大 在整形两个过程 3R即再放大 再整形 再定时过程 光再生即光信号的质量恢复 从实现上来说 光再生可以在电域完成 也可以在光域完成 即全光再生 本章所讨论的光再生特指在光域完成的光再生 即全光3R再生 4 1 1信号再生的概念 1光再生技术 掺饵光纤放大器的出现替代了传统的光 电 光式中继器 实现了全光信号传输 但是 对于光通信系统 仅有光放大器实现1R再生功能远远无法满足系统的期望 要进一步延长距离 必须对信号进行全光3R再生 以抑制系统中的噪声 恢复脉冲形状 目前 全光3R再生技术离实用化仍有相当的距离 理想的光再生的要求 对数据格式和速率透明 功耗低 对输入定时抖动和功率起伏不敏感 高清光比和低啁啾 简单有效 偏振不敏感 输入功率的动态范围要大 4 1 2光再生技术的概况 1光再生技术 图4 2为全光3R再生原理示意图 入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路 一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号 提取出的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息 另一路信号经掺铒光纤放大器 EDFA 放大后 与时钟信号脉冲一同注入光判决门 经过光判决门后可得到全光再生信号 图4 2全光3R结构简图 主要内容 4 1信号再生的概念与光再生技术的概况4 1 1信号再生的概念4 1 2光再生技术概况4 2光放大技术4 2 1掺铒土元素光纤放大器4 2 2拉曼光纤放大器 RFA 4 2 3半导体光放大器4 3光整形技术4 3 1基于非线性光环形镜 NOLM 的光判决门4 3 2基于半导体光放大器的光判决门4 3 3基于非线性饱和吸收效应的光判决门 2光放大技术 掺稀土元素光纤放大器是激光技术与光纤制造技术结合的产物 它是利用在光纤中掺稀土元素后的增益机制实现光放大的 其中掺铒光纤放大器 EDFA 是最成熟的一类掺稀土元素光纤放大器 由于光纤损耗限制了光纤通信系统的传送距离 因而光放大器可以对多个波长的光波透明放大 使得长距离传输系统甩掉了传统的光 电 光中继方式 影响 光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 WDM 走向实用化 促进了光接入网的实用化光放大器的出现 可视为光纤通信发展史上的重要里程碑 分类 光放大器可分为掺稀土元素光纤放大器 拉曼光纤放大器 半导体光纤放大器 4 2 1掺稀土元素光纤放大器 在泵浦能量 电或光 的作用下 实现粒子数反转 非线性光纤放大器除外 然后通过受激辐射实现对入射光的放大 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件 工作原理图见P59 掺铒光纤放大器工作原理 掺铒光纤放大器工作原理图 EDFA的优点 工作波长范围与光纤最小损耗窗口一致 光纤式器件 耦合效果高 电光能量转换效果高 增益高 输出功率大 增益特性稳定 对温度不敏感 与偏振无关 透明传输 EDFA的缺点 1 工作波长范围有限 铒离子能级间的能级差决定了EDFA的工作波长范围有限 即只能放大1550nm左右波长的光波 2 降低信噪比 EDFA的ASE噪声是光通信系统的重要噪声来源 3 增益带宽不平坦 增益起伏呈线性累加的趋势 对于低电平信号会造成SNR恶化 对于高电平信号容易产生非线性效应 同样也会造成SNR恶化 EDFA泵浦能级的选择 以1480nm作为泵浦能级 优点 泵浦激光器发射波长与光源激光器相近 激光器价格低 而且1550nm窗口单模光纤对信号光和泵浦光均为单模传输 可用光纤耦合器进行耦合 耦合方便 缺点 由于泵浦波长与1550nm能级接近 引入的噪声大 EDFA泵浦能级的选择会对EDFA的工作特性造成影响 以980nm作为泵浦能级 优点 噪声小 泵浦效率高 增益高缺点 泵浦半导体激光器需要采用价格昂贵的量子激光器 且由于该能带较窄 要求泵光的频率分布范围窄且稳定 否则能量利用率不高且增益变动大 EDFA泵浦能级的选择 对于807nm能级 不适于用做EDFA的泵浦能级 在EDFA应用早期 大多数采用1480nm作为泵浦能级 由于采用980nm作为泵浦能级可使EDFA具有更好的工作特性 因而目前越来越多地采用980nm作为泵浦能级 EDFA的泵浦方式 前向泵浦后向泵浦双向泵浦 从光纤放大器内部结构看 按照信号光相对于泵浦光的传输方向来划分 有三种泵浦方式 EDFA的泵浦方式 EDFA在系统中的应用 2 线路放大器 OLA 用在光纤传输链路中 用于补偿线路传输损耗 延长传输距离 要求 有足够的增益 较低的噪声 以避免放大级联所造成的噪声积累 目的 为了补偿传输中的光纤损耗分类 根据放大器在系统中的位置和作用 可分为功率放大器 线路放大器 前置放大器 1 功率放大器 OBA 用在系统发送端 用于提高发送功率 延长传输距离 要求 输出功率足够大 以增加跨距段距离 对增益要求并不是很高 EDFA在系统中的应用 3 前置放大器 OPA 用在系统接收端 用于提高光接收机灵敏度 要求 具有很低的噪声系数 以提高接收机的灵敏度 对增益和输出功率要求不高 EDFA工作波段的拓展 随着技术的发展 利用EDFA对L波段 1570 1610nm 实现放大的技术已经走向成熟并且商用 目前主要采用碲化物EDFA来拓展EDFA的放大带宽 EDFA的带宽不够大 只在1530 1565nm 即传统的C波段 才有较大且平坦的增益 因此应用于宽带传输系统有很大的局限性 碲化物EDFA是一种相干光放大器 它能实现20dB以上的均匀放大 随着数据传输的发展 原有C波段和L波段已不能满足需求 因此开发S波段放大技术成为目前光通信领域研究的热点之一 2光放大技术 瑞利散射 当光入射到非线性光学介质中时 可发生光波的散射效应 散射光方向按整个空间分布 频率与入射光相同 拉曼效应 入射光波的一个光子被一个分子散射 散射的结果有两种情形 一种情形是光子能量被分子吸收而成为另一个低频光子 另一种情形是光子吸收能量成为一个高频光子 同时分子完成振动态之间的跃迁 4 2 2拉曼光纤放大器 拉曼光纤放大器的基本原理 E1为基态 E2为激发态 瑞利散射和拉曼散射 石英光纤具有很宽的拉曼散射增益谱 并在13THz附近有一个比较宽的主峰 拉曼光纤放大器 2 增益介质为传输光纤本身 因此光纤拉曼放大器可以以分布式放大的方式对光信号进行在线放大 实现长距离的无中继传输和远程泵浦 尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合 拉曼光纤放大器有如下三个突出的特点 1 增益波长由泵浦光波长决定 只要泵浦源的波长合适理论上可以放大任意波长信号 3 噪声指数低 使其与常规的EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数 增加传输跨距 拉曼光纤放大器在系统中的应用 拉曼光纤放大器可分为两类 分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器 分立式拉曼放大器 利用拉曼效应 做成独立的器件 所用的光纤增益介质比较短 泵浦功率要求很高 在系统中主要用于EDFA无法放大的波段来对信号光进行集中放大 分布式拉曼放大器 所用的光纤比较长 泵浦功率可以降低到几百毫瓦 主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高 抑制非线性效应 提高信噪比 由于分布式拉曼放大技术可以有效地提升系统传输容量因而得到快速的发展 是目前拉曼放大器最为普遍的应用方式 拉曼光纤放大器在系统中的应用 分布式光纤拉曼放大器辅助传输系统的典型结构图P64 在DWDM系统的每个传输单元 Span 的末端拉曼泵浦光注入光纤 并取与信号传输方向相反 以传输光纤为增益介质 对信号进行分布式放大 如此 分布式光纤拉曼放大器与掺铒光纤放大器混合使用 同时对信号进行在线放大 图4 1 1为传输单元内信号光功率和泵浦光功率的变化关系 值得注意的是 这种反向拉曼泵浦由于传输单元末端的光信号功率微弱 不会因为拉曼放大而引起附加的光纤非线性效应 拉曼光纤放大器在系统中的应用 拉曼辅助传输可以有效地提升DWDM系统性能 这具体表现在使用拉曼放大器以后系统的性能参数如光信噪比 噪声指数和性能质量因子的提升 分布式拉曼放大器能提高系统性能 从而实现 跨距延伸效益 跨距延伸使得长距离传输干线上可撤除昂贵的3R中继器 趋向光透明性 具有直接的商业需求 分布式拉曼放大器还允许通过减小信道间隔来提高光纤的复用度和传输容量 2光放大技术 半导体光放大器的类型1 F P型SOA结构最简单的一种SOA 结构图见P66 2 行波型SOA特点是光波在行进中进行放大 具体分为单通增益结构和双通增益结构 3 注入锁定型SOA是一种多模激光器 半导体光放大器的工作原理半导体光放大器的工作原理与EDFA的工作原理类似 都是利用受激辐射放大原理 以实现相干光放大 只是他们的结构有很大差别 EDFA的受激辐射放大过程在光纤中发生 SOA的受激辐射放大过程在半导体的有源区中发生 4 2 3半导体光放大器 几种光放大器的比较 主要内容 4 1信号再生的概念与光再生技术的概况4 1 1信号再生的概念4 1 2光再生技术概况4 2光放大技术4 2 1掺铒土元素光纤放大器4 2 2拉曼光纤放大器 RFA 4 2 3半导体光放大器4 3光整形技术4 3 1基于非线性光环形镜 NOLM 的光判决门4 3 2基于半导体光放大器的光判决门4 3 3基于非线性饱和吸收效应的光判决门 3光整形技术 我们讨论的光整形主要针对数字信号 实现光整形中最为关键的一步就是对光信号进行重新判决 因此光整形又称为光判决门技术 4 3 1基于非线性光环形镜 NOLM 的光判决门 NOLM光开关的结构图P68 输入信号的强度包络 信号与探测脉冲之间的群速度失配决定着NOLM的传输特性 信号与时钟之间的走离不仅影响着再生脉冲的形状 还影响着频谱特性 NOLM的偏振敏感性也是需要考虑的一个重要问题 利用两段相同的保偏光纤 在ONLM中点处对两段光纤的快慢轴进行交叉拼接可使NOLM偏振无关 3光整形技术 利用较长的DSF使脉冲的偏振随机化 也可实现偏振无关 还可采用扭转色散位移光纤 消除NOLM的偏振特性 4 3 2基于半导体光放大器的光判决门 以SOA为基础的MZI与MI判决器的结构图P69 这种判决器的缺陷主要在于载流子的恢复时间限制了MZI MI开关的工作速度 造成再生信号脉冲展宽 限制了其级联能力 SOA的增益压缩效应导致MZI的两臂的不平衡 降低了干涉仪的消光比 3光整形技术 4 3 3基于非线性饱和吸收效应的光判决门 利用电吸收调制器的非线性交叉饱和吸收效应 不仅可用于做全光再生的光判决门 还可用于波长转换 时钟提取 EAM光再生器的结构图见P69 EAM的交叉饱和吸收效应与输入信号功率及反向偏压的大小有关 通过优化信号的输入功率及工作偏压 可以获得良好的再生信号 理论上与偏振无关 输入信号的相位畸变与频率啁啾都不会转移到探测信号中去 3光整形技术 另外一种半导体MQW结构的低温生长光开关 LOTOS 与EAM类似 利用了MQW的非线性饱和吸收特性 有超快的载流子恢复时间 具有较高的消光比 工作波长范围较宽 温度稳定性好 定时抖动容限可达20ps 主要缺陷在于偏振相关性 开关特性与输入信号脉冲的偏振态有关 第5章光路控制技术 主要内容 5 1光隔离器与环形器5 1 1光隔离器5 1 2光环形器5 1 3微光学器件与光路的耦合技术5 4光波长变换5 4 1基于半导体光放大器的波长变换5 4 2基于非线性光学环形镜的波长变换5 4 3基于四波混频的波长变换 1光隔离器与环形器 光隔离器在光路中的作用类似于电路中所使用的光电二极管 光隔离器的作用是是正向传输的光通过 反向传输的光隔离 根据工作特性 光隔离器可分为偏振相关型和偏振无关型 根据器件结构 光隔离器可分为在线型和自由空间型 要求 低插入损耗 高回波损耗 对于偏振无关型光隔离器还要求低的偏振相关损耗 光路控制技术是光信号处理中很重要的一部分 光路控制技术包括以下几个方面 光路行进方向的控制技术 光路的选择与分配 特定光路的选择技术 光波特性的改变 5 1 1光隔离器 图5 1给出光隔离器对偏振光的隔离原理 1光隔离器与环形器 非互易旋光效应 对某些晶体材料加电磁场后 光通过这一晶体后偏振面会发生旋转 光的偏振面旋转方向取决于外加磁场的方向 而与光的传播方向无关 互易旋光效应 光的偏振面旋转的方向取决于光的传播方向 如果一个方向的光通过时 偏振面正向旋转 则当反射光反方向通过时偏振面逆向旋转 从而恢复到初始方向 所以只有基于法拉第效应的非互易旋光才能实现光的单向隔离 1光隔离器与环形器 前面讨论的是线偏振光隔离原理 而光通信中的光载波均为圆偏振光 这是需要用到楔形双折射晶体将入射光分为两束偏振光后再送入法拉第旋转器 1光隔离器与环形器 自由空间型光隔离器工作原理可以简单地用图5 3表示 这种隔离器结构简单 但是隔离度低于基于法拉第旋光效应的隔离器 1光隔离器与环形器 光只能从端口1到端口2 从端口2到端口3 从端口3到端口4 其他方向截止 光环行器端口数目一般为3个也可以是三个以上 与隔离器相比 光环行器的功能不仅是阻止光信号返回输入端 还能将反射光引到其他路径 5 1 2光环形器 结构 光纤准直器 分束合束镜 偏振旋转镜 光束变换器 光纤准直器 偏振旋转镜 分束合束镜 1光隔离器与环形器 光环形器的典型应用为用于单纤双向系统的信号接收与发送 5 1 3微光学器件与光路的耦合技术 光隔离器和光环行器都是典型的微光学器件 如何实现微光学器件的微小光路和光纤之间的耦合是微光学器件应用时需要解决的一个重要问题 1光隔离器与环形器 传统光学元件 用透镜作为耦合元件光通信中 用GRIN透镜 即梯度折射率透镜 又称为自聚焦透镜或自聚焦棒 光线在自聚焦棒中的轨迹为正弦或者余弦曲线 从一点发出的不同角度的光线将汇聚于另一点 形成 自聚焦 一个周期为一个节距 如果取不同的周期长度 则可以实现具有不同特性的光耦合功能 自聚焦棒的特点 体积小 平端面 超短焦距 可以弯曲成像 制作过程省去了玻璃透镜的抛光工艺 大大简化了生产过程 保证了耦合的精度 主要内容 5 1光隔离器与环形器5 1 1光隔离器5 1 2光环形器5 1 3微光学器件与光路的耦合技术5 4光波长变换5 4 1基于半导体光放大器的波长变换5 4 2基于非线性光学环形镜的波长变换5 4 3基于四波混频的波长变换 4光波长变换 全光波长变换 AOWC 是组成光传送网的一项关键技术 它能实现在通信网络内的波长重用 有效解决网络内受有限波长信道数量限制的波长争用 提高网络的质量利用率和传输速率 提高网络灵活性和可扩充性 实现对网络便捷灵活的管理 特征 质量方面 满足信噪比高 啁啾低 信号失真小 消光比无劣化 系统配置方面 满足输入功率适中 输入输出信号带宽宽 偏振不敏感 尽量减少滤波元件的使用 系统性能方面 要求波长变换器变换速率快 转换速率高 对不同比特率和模式的信号透明 器件应用角度 要求波长变换器件实现简单 易于集成 4光波长变换 基于交叉增益调制 XGM 原理 当强光调制的信号光 波长为 与连续的探测光 波长为 同时入射到SOA中时 信号光强度的变化将通过消耗载流子引起增益饱和而调制SOA的增益 探测光强度也随之发生变化 从而使信号光所承载的信号转移到探测光上 5 4 1基于半导体光放大器的波长变换 实现方式 交叉增益调制 XGM 交叉相位调制 XPM 非线性光学环形镜 NOLM 开关效应四波混频效应 FWM 交叉吸收调制效应 XAM 利用注入锁定 IL 半导体激光器利用光纤光栅外腔激光器 4光波长变换 两种实现方式 同向输入方式和反向输入方式 当一束弱连续光和带强信号光耦合进SOA中时 由于增益饱和效应 连续光受到信号光的反向调制作用 携带上与输入信号光反向的信息 从而实现了波长转换功能 4光波长变换 SOA XGM型全光波长转换器的优点 可以达到较高的转换速率 相对于光电光型 可到10Gb s 转换效率高 波长转换范围宽 偏振无关 结构简单 SOA XGM型全光波长转换器的缺点 输出光与原信号光反相 信号的消光比恶化 码型效应 由于SOA内部载流子浓度恢复不够完全而再次被消耗 引起输出的 1 信号光功率大小不等的现象 4光波长变换 基于交叉相位调制 XP