光通信中的全光信号处理第四章-全光再生技术

光通信中的全光信号处理技术第四章全光再生技术一全光再生技术概述二全光放大技术三全光整形技术四全光时钟恢复技术一全光再生技术概述在长距离超高速光通信网中，由于一些因素的影响，导致光信号在传输过程中恶化，这些因素主要有：1光纤及光器件的群速度色散(GVD)、光纤的偏振模色散(PMD)，2光放大器的自发辐射噪声所引起的噪声积累，3光纤非线性效应，包括交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)，受激拉曼散射(SRS)等，导致脉冲包络畸变，4信道内或信道间相互干扰。由于以上各种效应的单独作用或者共同影响，不论其传输码型如归零码、非归零码以及啁啾归零码，上述各种效应最终会造成信号恶化，无处乎3种形式：强度噪声、定时抖动(Timingjittering)以及脉冲包络畸变。这些都将导致系统的误码率增加。对于可预知色散量的点到点通信，可以采用色散补偿技术对群速度色散进行补偿。而在未来的全光网络中，由于光交叉连接、光交换和光动态路由技术的使用，使得信号从源端到目的端的节点数无法确定，也就是说经过的光纤长度变得不可预测，在这种情况下，原有办法将无能为力。其次，在高速率传输时，偏振模色散的影响将越来越严重，因此PMD补偿也是国内外研究的热点，但是PMD的随机性，使其在动态网络中补偿具有很大困难。另外，由于光传输中的非线性效应，如SPM、XPM和FWM等，与群速度色散的联合作用会导致光信号脉冲的形状和频谱发生畸变；光放大器的自发辐射噪声与GVD的联合作用引起的孤子脉冲定时抖动的积累，这些因素造成了传输信号的严重损伤，限制了网络节点级联的能力，严重影响通信质量，最终限制了系统和网络的传输速率和距离。1R再生（再放大）可以放大信号光功率，2R再生（再整形，再放大）可以明显抑制信号的幅度噪声，提高信号的消光比，但由于没有再定时功能，定时抖动的积累最终限制了其级联能力。3R再生是解决上述问题的最有效的方法。利用3R（再放大，再整形，再定时）再生器作为网络接口设备还可以使网络间的互通更为容易。因此，必须对光信号进行全光再生。目前，光再生仍主要在电域完成，具体处理过程为：光―电―光，即光信号首先由光电探测器转变为电信号，经电路处理放大后，再重新调制到光源上，从而实现光信号的再生。这种光电中继器优点：消光比高，偏振不敏感；缺点：装置复杂、体积大、耗能多、对传输数据不透明，同时由于电子器件速率的限制，网络的速率将受到限制。随着相干光通信、偏振复用等技术的发展，其愈显笨拙。全光3R再生技术也可在光域内完成，使网络的透明性、灵活性和扩展性能够得到充分地保证。因此，被认为是未来全光网络的重要技术之一。但是，全光3R再生技术本身还并不成熟，大量研究在进展中。3R再生可在电域进行，也可在光域进行。全光3R再生系统主要由光放大、光时钟提取和光判决三部分组成。畸变光信号通过耦合器分为两路，一路用于时钟提取，时钟恢复单元提取出低抖动、高信噪比的时钟，其波长与原信号可以相同，也可以不同；另一路信号经光放大器放大后，进入判决单元，作为光判决门的控制光，使用提取出的时钟，完成再整形和再定时功能。全光3R再生过程定时提取光判决门受损伤的输入信号光放大对于理想的全光再生器，一般需要满足以下要求：（1）对数据格式和速率透明；（2）低功耗；（3）对输入抖动和功率波动不敏感；（4）高消光比和低啁啾；（5）简单有效，成本低；（6）偏振不敏感；（7）大的输入功率动态范围。全光3R再生原理1光放大器概述2掺铒光纤放大器结构及其增益3半导体光放大器结构及其增益4放大器噪声5光放大器的系统应用6拉曼光纤放大器二全光放大技术②历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命①动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继。1光放大器概述•光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。③影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术走向实用化、促进了光接入网的实用化光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2)受激辐射(1)能量注入④原理: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。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入损耗和功率分配损耗(如PON中)-powerbooster在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合-in-lineamplifier前置光放大：用于提高接收机的灵敏度-preamplifier⑤应用方式:•利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）•利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）•利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）⑥类型利用稀土金属离子(铒)或镨\铥等作为激活工作物质的放大器掺杂光纤放大器(DFA)EDFA内部结构利用稀土金属离子铥作为激活工作物质的放大器结构大体上与激光二极管(LaserDiode,LD)相同半导体激光放大器(SOA)非线性光纤放大器利用光纤非线性效应作为工作原理的放大器放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好几种光放大器的比较•展宽带宽：C-band40nm,L-band再加40nm；•均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；•监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；•动态响应特性；•其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。研究新热点掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。2掺铒光纤放大器结构及其增益•EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗•补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能•大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能•支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM•推动了全光网络的研究开发热潮掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命•工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；•频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；•对数据率/格式透明，系统升级成本低；•增益高(40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)；•全光纤结构，与光纤系统兼容；•增益与信号偏振态无关，故稳定性好；•所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。为什么要用掺铒光纤放大器•EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信号光与波长较其为短的光波（泵浦光）同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDFA的工作原理EDFA中的Er3+能级结构•泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm•波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nmEDFA工作原理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到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级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，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关MultistageEDFA由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。RemotePumping•光放大器的增益•放大器的噪声•EDFA的多信道放大特性•EDFA的大功率化EDFA的工作特性•增益G是描述光放大器对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很复杂的关系。insoutsPPdBG,,10log10)(输出信号光功率输入信号光功率A光放大器的增益小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信号增益。G0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域增益G与输入光波长的关系增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线inpoutsinpinsoutsPPPPPPCE,,,,,EDFA的功率转换效率inpspinsoutsPPP,,,pssphvhv输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：1,,spinpoutsPPPCEEDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：insinpspinsoutsPPPPG,,,,1EDFA的增益：随输入功率的变化假设没有自发辐射，由能量守恒原则有：当输入功率非常大时，即Ps,in(p/s)Pp,in，放大器增益是1，即对信号无放大↑↓EDFA的增益：随增益介质长度变化当泵浦光足够强的时候，EDFA长为L时的最大增益为：其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面LeeGrsmax0L吸收区增益降低因此，最大可能的放大增益为：insinpspLPPeGe,,1,minrsEDFA的增益3半导体光放大器结构及其增益外加正向偏压实现结区粒子数反转外部光照导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大（1）SOA概述pn外加正向偏压实现结区粒子数反转外部光照导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感（2）SOA的分类——FP半导体光放大器多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。FP半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又