光纤通信技术第八章概要.ppt

第八章光纤通信技术，华南师范大学，王发强Fq_wang信息、光电子与技术学院，光放大器，寻剑30年，落叶归根。自从我看到桃花，我从未怀疑过它。解说有布衣、梅花雪月灯的地方。只有几个微笑会永恒。欧的风语与银语和汉语大不相同。蝴蝶梦在中国南方很生动。谁骑在老虎身上？现在忘记未来的路。日落时，地平线看着洪飞离去。渔人得意，达摩常来，听说扈从无边的苦难，会使智者增加一些忧虑。寿命长达一百年。你必须意识到生与死通常是无限丰富的。绿发美女不能被抛在身后。英雄们去了哪里？回头看北莽山下的路，夕阳西下，千千在西方寒鸦中。俞家骜，第8章光放大器，8.1光放大器概述，8.2掺铒光纤放大器，8.3半导体光放大器，8.4光纤拉曼放大器，8.1光放大器概述光放大器的出现可视为光纤通信史上的一个重要里程碑。在光放大器出现之前，用于光纤通信的中继器使用光-电-光(光-电-光)转换。该设备复杂，消耗大量能量，并且不能同时放大多个波长信道。在WDM系统中，复杂性和成本成倍增加。它可以低成本实现1R、2R和3R中继光放大器的多波长放大。它只能实现1R中继。光放大器的原理和功能是：提供光信号增益，补偿光信号在信道中的传输衰减，增加系统的无中继传输距离。在泵能(电或光)的作用下，实现粒子数反转(非线性光纤放大器除外)，然后入射光被受激辐射放大。光放大器是一种基于受激辐射或受激散射原理放大入射光信号的装置。其机理与激光完全相同。事实上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈很少的激光器。光放大器的类型，稀土掺杂光纤放大器(EDFA，PDFA)，半导体制成的半导体光放大器(SOA)，光纤非线性效应制成的非线性光纤放大器(FRA，FBA)，几种光放大器的比较，光放大器的应用，线路放大(In-line):每段光纤损耗的周期性补偿，功率放大(Boost):增加光纤输入功率，延长传输距离，预放大：以提高接收灵敏度，局域网功率放大器：分布损耗补偿，增加网络节点数，新热点研究，扩展均衡功能：点对点系统的增益均衡和全光网络的功率均衡；监控和管理功能：在线放大器、全光网络转换；动态响应特性；其他波段的光纤放大器，如拉曼放大器。第8章光放大器8.1光放大器概述8.2掺铒光纤放大器8.3半导体光放大器8.4光纤拉曼放大器8.2掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器使用掺有应时光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光激励下放大光信号。放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550纳米的掺铒(铒)光纤放大器(EDFA)、工作波长为1300纳米的掺镨(镨)光纤放大器(PDFA)和工作波长为1400纳米的掺铥(铥)光纤放大器(TDFA)是目前最成熟的EDFA，是光纤通信系统中必不可少的元件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来了革命。EDFA解决了系统容量提高的最大限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使得长距离传输成为可能，并大大增加了功率预算的冗余。在系统中引入各种新的光器件已经成为支持增加光通信能力的最有效的方式WDM推动了全光网络的研发热潮。为什么使用掺铒光纤放大器，工作频带在EDFA EDFA的工作原理是利用掺铒单模光纤作为增益介质，在泵浦光的作用下产生粒子数反转，在信号光的诱导下实现受激辐射放大。信号光和波长较短的光波(泵浦光)沿光纤传输。泵浦光的能量被光纤中的稀土离子吸收，使其跃迁到更高的能级，并可通过能级之间的受激发射转移到信号光的能量。信号光沿着光纤的长度被放大，泵浦光沿着光纤的长度被连续衰减。对于EDFA的Er3能级结构，520、650、800、980和1480纳米的泵浦波长低于980纳米。因此，泵通常使用980和1480纳米。铒离子简化能级图、掺铒光纤放大器的基本结构、掺铒光纤：当一定的泵浦光注入掺铒光纤时，Er3被从低能级激发到高能级。由于其在高能级的短寿命，er3以非辐射跃迁的形式快速跃迁到较低的能级，并在能级和低能级之间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质实现粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合成掺铒光纤。光隔离器：使光传输单向，放大器不受发射光的影响，保证稳定运行。对于具有三种泵浦模式的EDFA，同向泵浦(正向泵浦)类型具有良好的噪声性能，反向泵浦(反向泵浦)类型具有高输出信号功率，双向泵浦类型具有比单个泵浦源高3dB的输出信号功率，并且放大特性与信号传输方向无关。多基区光纤放大器也常用于远程泵浦模式，因为光纤的光损耗更小，可达1480纳米。远程泵浦，EDFA的工作特性，光放大器增益放大器的噪声，EDFA的多通道放大特性，EDFA的高功率，首先，光放大器的增益，增益G是描述光放大器信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有非常复杂的关系。当小信号增益g=30db时，输出信号光功率、输入信号光功率、增益对输入光功率的典型依赖关系、增益g与输入光波长的关系以及增益谱g():增益g与信号光波长的关系。光放大器的增益谱并不平坦。对于给定的放大器长度(EDF长度)，增益在开始时随着泵浦功率呈指数增加。当泵功率超过某个值时，增益缓慢增加并趋于恒定值。小信号增益与泵浦功率的关系曲线和小信号增益与放大器长度的关系曲线。当泵浦功率恒定时，放大器在最佳长度下获得最大增益。如果放大器长度超过该值，则最佳点之后的掺铒光纤由于泵浦消耗而不能被充分泵浦，并且放大的信号能量必须被吸收，导致增益快速下降。因此，在EDFA设计中，有必要根据掺铒光纤的结构参数选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作在最佳状态。2.放大器的噪声。在放大过程中，所有光放大器都会在信号光上叠加自发辐射(或散射)，导致放大信号的信噪比(SNR)降低。这种降低通常用噪声系数Fn来表示，噪声系数Fn定义为：主要噪声源：放大自发辐射噪声(ase)，它源于放大介质中电子-空穴对的自发复合。自发复合导致光子与光信号一起被放大的宽光谱背景。当EDFA放大1540个波长信号时，ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比降低。宽光谱光源，ASE噪声，ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：对于原子处于激发态或完全布居反转的光放大器，NSP=1；当粒子数没有完全反转时，SP1；研究发现，接收器连接到光放大器后，ASE噪声，第三，EDFA的多通道放大特性，EDFA的增益恢复时间(G=0.1 1 ns为SOA)，其增益不能响应调制信号的快速变化，没有增益调制，并且四波混频效应也很小。因此，关键是EDFA可以用于多通道放大而不引入通道间串扰(SOA不是)。EDFA可以对输入光功率的变化(较低的速度变化)产生响应瞬态特性，这些变化是由诸如信道插入、光故障或无光故障等因素引起的。它应该在系统应用中得到控制增益箝位。多通道放大中存在的其他问题：增益平坦度增益钳制高输出功率、EDFA的级联特性、通道间的增益竞争以及多级级联使用引起的“尖峰效应”。1544，1569，典型EDFA增益谱，固有增益不均匀，增益差累积随级联放大而增大，各通道信噪比差增大，各通道接收灵敏度不同，增益平坦，增益谱形状随信号功率变化，在通道上下动态条件下不平衡更严重。1.滤波均衡：利用反对称透射谱和掺杂光纤增益谱的滤波器来平坦化增益，如薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制双芯光纤等。只有静态增益谱可以被平坦化，并且当信道功率突然改变时，增益谱仍然会改变。EDFA均衡器合成增益、增益平坦/均衡技术(1)，2。新型宽带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤(30纳米平带宽)、铒/铝共掺光纤(20纳米)等。静态增益谱平坦化，掺杂过程复杂。3。声光滤波调整：根据各通道的功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调整各通道的输出功率使其平衡。动态均衡需要解复用、光电转换、复杂的结构、有限的实用性、增益平坦/均衡技术(2)，4。预失真技术不灵活，输入功率也应在传输链路改变后进行调整，增益平坦化/均衡技术(3)，EDFA可以对输入光功率的变化(较低的速度变化)作出响应，这些变化是由诸如信道插入、信道掉线或无光故障等因素引起的瞬态特性使剩余的信道获得过多的增益并输出过多的功率，从而导致非线性并最终恶化其传输性能需要自动增益控制。对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可以短至几秒至几十秒。增益控制系统的响应时间要求在几十秒到几十秒之间，增益箝位、增益箝位技术(1)、电子控制：监控EDFA的输入光功率，并根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益箝位是目前最成熟的方法。为了实现增益箝位，系统增加了一个波长信道，附加波长的功率根据其他信道的功率而变化。WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以确保每个通道获得足够的光功率。方法：多级泵送，4。用大功率EDFA (1)和大功率EDFA (2)制作了大功率EDFA的双包层光纤结构图。芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)，传播信号层内包层(SM)和传播泵浦光(MM)。双包层光纤是实现EDFA的重要技术。信号光在中心纤芯中以单模传播，而泵浦光在内包层中以多模传播。EDFA宽带，L波段掺铒光纤放大器，第8章光放大器，概述8.1光放大器，8.2掺铒光纤放大器，8.3半导体光放大器，8.4光纤拉曼放大器，8.3半导体光放大器，也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。半导体光放大器的放大特性主要由激光腔的反射特性和有源层的介电特性决定。根据光放大器端面的反射率和工作偏置条件，半导体光放大器分为：-法布里-珀罗放大器(FP-SOA)-行波放大器(TW-SOA)，这是多峰值，窄带宽，不适合通信F-P半导体光放大器，入射光从左端面进入，以增益通过有源层，到达右端面后，一部分入射光从端面反射，然后反向通过有源层到达左端面，一部分光从左端面出射，其余部分从端面反射，再次通过有源层，从而放大入射光。半导体光放大器和平面光放大器的区别在于端面的反射率。半导体光放大器的端面反射率非常低，通常低于0.1%。减少端面反射的方法：倾斜有源区法和窗口表面结构。行波管放大器的增益、增益带宽和噪声特性能够满足光纤通信的要求，但以下两个缺点限制了其在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；光信号增益饱和。半导体有源层的横截面是平坦的矩形，在横向方向(矩形的宽边方向)和垂直方向(矩形的窄边方向)上对光场有不同的限制，这一事实导致了SOA增益的偏振依赖性。光场在垂直方向的衍射泄漏比在横向方向的衍射泄漏强，因此垂直方向的光增益比横向方向的光增益弱。因此，当光信号的偏振方向作为横向方向时，增益较大，而当偏振方向作为垂直方向时，增益较小。解决方案是采用宽度和厚度相当的有源层设计。使用方法开始。相同结构半导体光放大器相互垂直并联，输入端采用偏振分束器将信号分成TE和TM偏振信号，经两个半导体光放大器放大后的TE和TM偏振信号分别输入到相互垂直的半导体光放大器，然后合成与输入光偏振态相同的放大信号。输入光信号通过同一个SOA两次，但在反向通过之前，法拉第旋转器用于将返回光旋转900。相同结构的SOA彼此垂直串联。获得的增益与偏振无关。对于SOA应用，多通道放大存在问题。噪声、大通道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM)增益饱和会导致信号失真。其他应用：光波长转换(XGM、XPM、FWM)光开关：直接调制SOA注入电流，实现光开关。特点：高速、无损光信号处理装置。拉曼现象是在1928年发现的。20世纪90年代初，EDFA取代它成为焦点，而法国铁路公司受到冷遇。随着光纤通信网络容量的增加，对放大器提出了新的要求。传统的EDFA很难满足。森林资源评估再次成为研究热点。特别是高功率二极管泵浦激光器的快速发展，为光纤拉曼放大器的实现奠定了坚实的基础。人们对光纤拉曼放大器的兴趣源于这样一个事实，即这种放大器可以提供整个波段的放大。通过适当改变泵浦激光的波长，可以在任何波段实现宽带光放大，甚至可以在1270 1670纳米的整个波段提供放大。(a)1550纳米无泵激激光传输，FRA原理介绍，物理机制：a)通过光纤拉曼散射效应(SRS)湮灭入射光子(泵