第5章光纤通信新技术

第5章光纤通信新技术光纤通信张树东[e-mail]光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院第5章光纤通信新技术5.1光放大器5.2光复用技术5.3*光交换技术5.4*光孤子通信5.5*相干光通信技术5.1光放大器5.1.1光放大器概述5.1.2半导体光放大器SOA5.1.3掺铒光纤放大器EDFA5.1.4光纤拉曼放大器FRAAnopticalamplifierisadevicewhichamplifiestheopticalsignaldirectlywithouteverchangingittoelectricity.Thelightitselfisamplified.（即直接对光信号进行放大的有源器件）1、OpticalAmplifier（OA）5.1.1光放大器概述5.1光放大器可靠性（Reliability）灵活性（Flexibility）波复用（WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)低成本（LowCost）TraditionalOpticalCommunicationSystemLosscompensation:Repeatersatevery20-50km5.1.1光放大器概述5.1光放大器GenericopticalamplifierAllOAsbasedonstimulatedemissionofradiation-aslasers(incontrasttospontaneousemission)Stimulatedemissionyieldscoherentradiation-emittedphotonsareperfectclones2.光放大器的原理5.1.1光放大器概述5.1光放大器半导体光放大器(SOA:SemiconductorOpticalAmplifier)3.光放大器的类型（按工作机理分类）5.1.1光放大器概述5.1光放大器谐振式，如FPA(Fabry-PerotAmplifier)行波式，如TW-SOA(TravelingWave-SOA)光纤放大器(FA：FiberAmplifier)掺杂稀土元素光纤放大器(DFA：Doped-FiberAmplifier)EDFA:Erbium-DopedFiberAmplifierPDFA:Praseodynium-DopedFiberAmplifier非线性光纤放大器FRA：FiberRamanAmplifierFBA：FiberBrillouinAmplifier几种光放大器的比较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半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差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5.1.1光放大器概述5.1光放大器4.光放大器的主要性能参数光增益特性饱和输出功率工作带宽噪声系数增益平坦度等5.1.1光放大器概述5.1光放大器insoutsPPG,,10lg（1）放大器的增益(Gain)光增益与频率和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特性。a2R200P/P)(1g)P,(g均匀展宽二能级模型介质的增益系数5.1.1光放大器概述5.1光放大器放大器输出与输入光信号功率之比增益峰值入射光信号频率二能级体系跃迁频率被放大光信号功率增益介质的饱和功率介质偶极驰豫时间泵浦源输入输出增益介质Lz=0z=LzinsP,outsP,光功率沿增益区的分布:)(),()(zPPgdzzdPLPPdzPgzPzdPoutin0),()()(]),(exp[)(LPgG5.1.1光放大器概述5.1光放大器其中增益带宽放大器带宽gvAv（2）饱和输出功率5.1.1光放大器概述5.1光放大器当P增大至与Pa比拟，则g()下降，G()也下降，此现象为“增益饱和”。a2R200P/P)(1g)P,(g定义为增益特性下降至3dB时所对应的输出光功率为饱和输出功率a00soutP2-Gln2GPG0为小信号时的增益（3）放大器的噪声(Noise)Atypicaloutputsignalat1540nmwithASEnoise.噪声使信号放大后的信噪比下降,常用光放大器噪声指数Fn来量度SNR下降程度outinnSNRSNRF)()(5.1.1光放大器概述5.1光放大器主要来自放大器的放大自发辐射(ASE:AmplifiedSpontaneousEmission),即增益介质中电子-空穴的自发复合.光放大器特性比较5.1.1光放大器概述5.1光放大器半导体光放大器光纤放大器FPATWLAEDFAFRAFBA小信号增益/dB25-3020-4030-505030饱和输出功率/dBm891030带宽1GHz-3GHz3THz0.5-4THz1THz50MHz增益波长范围/nm800-1600800-16001530-1600噪声指数6-1053-8线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数5.光放大器的应用5.1.1光放大器概述5.1光放大器5.1练习题（1）1.传统O-E-O光放大器必须具有所谓的“3R”功能，这里“3R”指代表什么？2.光放大器OA有哪些类型？3.光放大器OA有哪些应用？画出作为线路放大的示意图。5.1光放大器5.1.1光放大器概述5.1.2半导体光放大器SOA5.1.3掺铒光纤放大器EDFA5.1.4光纤拉曼放大器FRA半导体光放大器(SOA:SemiconductorOpticalAmplifier)5.1光放大器5.1.2半导体光放大器SOA一种结构类似于普通的半导体激光器的光放大器.与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。1.半导体光放大器的原理5.1光放大器5.1.2半导体光放大器SOA根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将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)半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=0z=Lz5.1光放大器5.1.2半导体光放大器SOA没有反馈的激光器,其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=0z=Lz2.行波半导体光放大器(TW-SOA)5.1光放大器5.1.2半导体光放大器SOA3.F-P半导体光放大器(FP:Fabry-Poret-SOA)注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=z=Lz反射面R反射面R05.1光放大器5.1.2半导体光放大器SOA半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。F-P谐振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，当R超过一定值后，光放大器将变为激光器。当GsR=1时，SOA产生激光发射。不同反射率时的F-PSOA的增益频谱频率增益gGFPAR=0.03R=0.32R=00GFPAmaxGFPAmin0+20-20行波放大器()()()()[]2ss211RGGRmaxFPA)(G5.1光放大器5.1.2半导体光放大器减小端面反射反馈,就可以制出行波半导体光放大器。习惯当GSR0.17时,将SOA看作行波放大器。减小反射率的方法F-P半导体光放大器注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=z=Lz反射面R反射面R0有源区光输入光输出反射透明区有源区光输入光输出增透膜5.1光放大器5.1.2半导体光放大器法布里-玻罗放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的带宽比较行波光放大器的增益与波长的关系频率增益gGFPA00GTWAvvvFPAvTWA信号增益波长01020301.441.461.481.501.521.54/dBm(TE)横电模/4.SOA带宽和增益频谱5.1光放大器5.1.2半导体光放大器两个放大器并接两个结平面相互垂直的放大器串接放大器TETM偏振分光器TM偏振合光器TE起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。5.减小偏振态对SOA增益影响5.1光放大器5.1.2半导体光放大器法拉第旋转器加反射镜反射镜法拉第旋转器放大器芯片偏振控制输出输入45o信号通过同一个放大器两次，但是两次间的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关5.1光放大器5.1.2半导体光放大器5.1练习题（2）1.何谓半导体光放大器？描述其工作原理。5.1光放大器5.1.1光放大器概述5.1.2半导体光放大器SOA5.1.3掺铒光纤放大器EDFA5.1.4光纤拉曼放大器FRA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铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)，1550nm镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)，1300nm铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)，1400nm目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFA输入信号泵浦光隔离器光隔离器波分复用器掺铒光纤输出信号熔接掺铒光纤：铒离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，作为增益介质半导体泵浦二极管：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。1.掺铒光纤放大器（EDFA）结构5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFA监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD探测器泵浦LD输入隔离器输入WDM输出耦合器输出隔离器输出WDM掺铒光纤热沉光输入＋5V0V－5V电源监视激光器驱动输入光输出实用光纤放大器外形图及其构成方框图5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFA铒离子浓度与b/a的关系掺铒光纤结构和折射率分布00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒离子浓度/ppm-wt2b2aEr直径125um硅包层径向分布场掺锗区直径3-6um掺铒区（浓度1100-2500ppm)22OSOGie22323OSOGOAlEier2OSFi2.掺铒光纤结构5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFA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。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。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant3.EDFA的工作原理5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFAEDFA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。铒离子能级受石英材料的作用而分裂为窄能带.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1550nm5.1光放大器5.1.3掺铒光纤放大器EDFAEDFA中的