1 / 77

Chapter 9 光放大器

Chapter 9 光放大器. 9.1 基本概念 9.2 半導體光放大器 9.3 掺鉺光纖放大器 9.4 拉曼放大器 9.5 光放大器的比較 9.6 未來發展方向. 9.1 基本概念. 9.1-1 光放大器的作用 9.1-2 理想光放大器之特性 9.1-3 光放大器的參數 9.1-4 光放大器之頻帶 9.1-5 光放大器的應用 9.1-6 光放大器的分類. 9.1-1 光 放大器的作用. Signal. 光接收器 Optical receive. 訊號 Signal. Σ. Signal. N x Km. ….

jeb
Download Presentation

Chapter 9 光放大器

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Chapter 9 光放大器 9.1基本概念 9.2 半導體光放大器 9.3 掺鉺光纖放大器 9.4 拉曼放大器 9.5 光放大器的比較 9.6 未來發展方向

  2. 9.1基本概念 9.1-1 光放大器的作用 9.1-2 理想光放大器之特性 9.1-3 光放大器的參數 9.1-4 光放大器之頻帶 9.1-5光放大器的應用 9.1-6 光放大器的分類

  3. 9.1-1 光放大器的作用 Signal 光接收器 Optical receive 訊號 Signal Σ Signal N x Km … De MUX MUX OA 載波 …… 光放大器 Optical amplifier 光傳輸器 Optical transmitter CWDM or DWDM System • 為放大光功率、再生光訊號的機制,應用於 CWDM與 DWDM 系統及長距離傳輸中繼器。

  4. 9.1-2理想光放大器之特性 • 高增益 • 寬廣的頻寬 • 平坦的增益 • 低雜訊 Noise Figure • 低損耗 • 高訊雜比SNR • 高的飽和功率

  5. 9.1-3 光放大器的參數 • 增益 :指訊號放大的倍率 • 增益平坦度 : 增益平坦度定義為多波長信號中增益最大 與最小的差值。 • 增益飽和 : 趨近飽和時,增益成非線性,達到飽和後, 訊號便無法再放大。 • Noise Figure: 放大器的雜訊指數,用來量化經放大器後的雜訊比劣化指標。其主要來源為放大器本身的放大自發放射ASE。 • 輸出功率 : 指放大訊號的輸出功率

  6. 9.1-4 光放大器之頻帶 目前光放大器涵蓋之光譜頻帶 • S+頻帶 : 1450~1480nm (Extended Short Band ) • S-頻帶 : 1480~1530nm (Short Band) • C頻帶 : 1530~1570nm (Center Band) • L頻帶 : 1570~1610nm (Long Band) • L+頻帶 : 1610~1650nm (Longer Band)

  7. 9.1-5 光放大器的應用 光放大器依據不同應用有下列三種: • 光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 將光放大器置於光發送端之前,以提高傳送光的功率, 整個電路系的光功率得到提高。 • 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 在接收端的光電檢測器之後將微信號進行放大,以提高接收能力。 • 光線路放大器 (Line Amplifier, LA) 接駁的距離較遠時,可起中繼放大器度(spitter),提高光功率。

  8. 9.1-5光放大器的應用 功率放大器 Booster Amplifier 前置放大器 Pre-Amplifier 光接收器 Optical receive 光傳輸器 Optical transmitter PA BA De MUX MUX LA …… …… 功率放大器 In-Line Amplifier 光放大器的應用圖示

  9. 9.1-6 光放大器的分類 • 傳統光放大器:光-電-光 將光轉換為電訊號,經電子放大器放大訊號後再轉 為光訊號,現今已完全被 All Fiber Type取代。

  10. 9.1-6 光放大器的分類 光放大器分為三大類 • 半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA) • 光纖放大器 (Optical Fiber Amplifier, OPA) • 拉曼放大器 (Raman, OPA)

  11. 9.2半導體光放大器 9.2-1 半導體光放大器的簡介 9.2-2 半導體光放大器的優點 9.2-3 半導體光放大器的缺點 9.2-4半導體光放大器的分類 9.2-5 半導體光放大器的原理 9.2-6 半導體光放大器的特性 9.2-7 未來發展方向

  12. 9.2-1 半導體光放大器的簡介 • 隨半導體雷射特性的改善,發展了FP半導體光放大器,之後開始對行波式半導體光放大器的研究。 • 半導體光放大器由三五族的半導體合金所製成,如砷化鎵等 • 放大波段1300~1600 nm ,涵蓋1300 nm 窗口 • 頻帶寬大於 40 nm • 增益高於 30 dB

  13. 9.2-2 半導體光放大器的優點 • 尺寸小,易製作成積體電路與積體光電路結合使用。 • 結構較為簡單、功耗低、壽命長、成本低。 • 響應(gain response)相當快速,適用於交換及信 號處理等光網路應用中。 • 同時具備光放大及訊號處理的能力,如開關功 能等。應用在全光波長變換、光交換中。

  14. 9.2-3 半導體光放大器的缺點 • 與光纖的耦合損耗太大 • 易受極化狀態影響(極化靈敏度為0.5~2 dB) • 雜訊指數高(~8 dB) • 易造成串音 • 易受環境溫度影響,穩定性較差

  15. 9.2-4 半導體光放大器的分類 • 半導體光放大器分為兩類: (1) 法布裏-泊羅放大器( Fabry-Perot Amplifier, FPA) 將一般的FP半導體雷射當作光放大器使用。 (2) 行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA) 在Fabry-Perot雷射的兩個端面上塗上抗反射膜,以獲得寬頻帶、高輸出、低雜訊之放大光。

  16. 9.2-4 半導體光放大器的分類 注入電流 入射光 輸出放大光 鏡子 Mirror 鏡子 Mirror 法布裏-泊羅放大器

  17. 9.2-4 半導體光放大器的分類 注入電流 入射光 輸出放大光 抗反射膜AR 抗反射膜AR 行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA)

  18. 9.2-5 半導體光放大器的原理 受激態 E2 (Excited state) 電子 光子 電洞 基態 E1 (Ground state) 原理與半導體雷射相同,利用能階間躍遷的受激輻射進行光放大。為提高增益,去掉共振腔,由電流直接激勵,可獲得增益30 dB以上且頻寬更寬廣。 加偏壓

  19. 9.2-6 半導體光放大器的特性 SOA的自發放射頻譜ASE隨注入電流而提高

  20. 9.2-6 半導體光放大器的特性 23dB 飽和 非 線 性 線 性 注入電流與增益的關係

  21. 9.2-6 半導體光放大器的特性 不同波長的增益頻譜圖

  22. 9.2-6 半導體光放大器的特性 注入電流 Gain 21dB 輸出飽和功率7dBm 趨近增益飽和 輸入光功率與增益的關係

  23. 9.2-7 未來發展方向 當輸入訊號過大時,將使SOA 增益飽和,造成放大訊號 的非線性失真,在光網路中,經多級串接放大後,會造 成嚴重的訊號失真。 提高飽和功率的方法 • 增益鉗制(gain-clamp)光放大器 • 外加光(holding light)結構 • 量子井(MQW)結構 • 錐形波導結構 前兩者缺點為降低未飽和增益

  24. 9.3 光纖放大器 9.3-1 光纖放大器的簡介 9.3-8 決定EDFA特性之因素 9.3-2 光纖放大器的優點 9.3-9 EDFA的元件 9.3-3 光纖放大器的應用 9.3-10 EDFA的架構 9.3-4 摻鉺光纖EDF的結構 9.3-11 EDFA的參數 9.3-5 摻鉺光纖EDF的特性 9.3-12 C-band EDFA的特性 9.3-6 EDFA的幫激光源 9.3-13 L-band EDFA的特性 9.3-7 EDFA的原理 9.3-14 EDFA的貢獻

  25. 9.3-1 光纖放大器的簡介 • 使用摻稀土金屬光纖作為增益介質。如摻鉺光纖EDF、 摻鐠光纖PDF。 • 1985年,英國南安普頓大學首次研製成摻餌光纖。 • 1987年,Bell Labs和University of Southampton同時發展可以直接放大1.5mm的光訊號的摻鉺光纖放大器。 • 1994年開始商用化,至今製造技術已成熟為光通訊及 DWDM的關鍵原件。

  26. 9.3-2 光纖放大器的優點 • 工作波長: C or L band (1520nm~1620nm) • 具高增益(>40dB) • 高輸出光功率(>16dBm) • 低雜訊指數(4~6dB) • 同時放大多個波長或信號 • 輸出光與偏振無關 • 有可靠穩定的高功率半導體幫浦雷射 • 易與光纖耦合 • 應用在WDM 系統中不會產生串音(Cross talk)

  27. 9.3-2 光纖放大器的優點 L-Band EDFA的優點 • 長波段摻鉺光纖放大器可擴增WDM 系統的傳輸容量。 • 使用色散平移光纖(DSF) 來作WDM 系統的傳輸,可避免四波混合的非線性效應造成系統性能劣化,此因色散平移光纖的零色散波長不在長波段放大範圍中。

  28. 9.3-3 光纖放大器的應用 (1) 數位傳輸網路 • 長途傳輸網路 • 高速傳輸網路 • 分波多工傳輸網路 • 光固子傳輸網路 • 光纖海纜傳輸系統 (2) 類比傳輸網路 • 有線電視傳輸分配系統 • 影像傳輸系統。

  29. 9.3-3 光纖放大器的應用 (3) 光纖感測系統 (4) 搭配其他元件作為光纖雷射、高功率寬頻帶 ASE光源

  30. 9.3-4 摻鉺光纖EDF的結構 3~6um 纖核(Core) 高摻雜層 100~2000ppm erbium 125um 纖殼(Silica cladding) 250um coating (披覆) Optical mode Radial distance • 鉺離子摻雜在矽玻璃光纖中央纖核(core)的部分 幫激光源和信號發生能量交換的地方

  31. 9.3-5 摻鉺光纖EDF的特性 Energy 20 15 10 5 1500~1620nm 吸收波長 514nm 532nm 667nm 800nm 980nm 1480nm 鉺離子在玻璃材料之能帶圖

  32. 9.3-6 EDFA的幫激光源 • EDFA的幫激雷射有980nm和1480nm兩種 980nm 和1480nm幫激雷射的比較

  33. 9.3-6 EDFA的幫激光源 1480nm 幫激雷射輸出光譜 980nm 幫激雷射輸出光譜

  34. 激發態 (Excited state) 光子 鉺離子 鉺離子 次穩態 (meta-stable state) ASE ≈1550nm (自發輻射) 基態 (Ground state) 9.3-7 EDFA的原理 • 鉺離子吸收幫激光源之能量躍遷至激發態,若有入射 光子進入將引起受激性輻射,產生同相的放大光子。 ~2us 無與入射光子作用的激態電子將形成ASE雜訊 吸收幫激雷射的能量 ~10ms

  35. 9.3-7 EDFA的原理 EDF Pump Light 1.55-µm Band ASE Generation 1.58-µm Band ASE Generation 激發態 1.55-µm Band ASE 1.58-µm Band ASE 次穩態 1480nm Pump 980nm Pump 基態 幫激能量 • L-Band EDFA 原理 :使用C-Band EDFA五倍以上的摻鉺光纖,將ASE由C-Band轉移到L-Band,藉以放大L-Band的訊號。 L-Band ASE

  36. 9.3-8 決定EDFA特性之因素 決定光放大器特性之因素 • 放大器架構 • 幫激光源波長 • 幫激光源功率 • 摻鉺光纖的長度 • 摻鉺光纖的摻雜濃度

  37. 9.3-9 EDFA的元件 • 光隔離器 • 分波多工器 • 摻鉺光纖 • 幫激雷射

  38. 9.3-9 EDFA的元件 光隔離器 • 讓光只能單向通過的元件,應具低插入損失、高隔離度特性。 • 輸入端的光隔離器是防止ASE及訊號光逆向傳播,劣化發射端信號雷射的穩定度。 • 輸出端的光隔離器是防止逆向的光進入EDF,降低居量反轉的程度、減低放大器的增益並提高雜訊指數、甚至造成非預期的雷射共振現象。

  39. 9.3-9 EDFA的元件 分波多工器 • 將輸入訊號光與幫激光耦合至摻鉺光纖中。其應具低插入損失和寬的工作頻寬來,以提高EDFA的放大頻寬。 ASE Spectrum 1.48/1.58mm 分波多工器各波長所對應之插入損失

  40. 9.3-10EDFA的架構 Isolator WDM 輸入光 Isolator EDF 輸出光 Pump Laser 單幫激前向架構 Isolator Isolator WDM 輸出光 EDF 輸入光 Pump Laser Pump Laser 雙幫激架構

  41. 9.3-11EDFA的參數 0.6nm : 浦郎克常數 : 光的頻率 : 放大器之增益 : 光譜分析儀的解析度 : 以頻寬Res所量到的ASE功率

  42. 9.3-11EDFA的參數 放大訊號 輸入訊號

  43. 9.3-11EDFA的參數 放大訊號 Gain 原始訊號 ASE+ (Gain x SSE) Noise Figure Source Spontaneous Emission , SSE 輸入訊號與放大訊號

  44. 9.3-12 C-band EDFA的特性 EDFA無訊號輸入時的ASE頻譜

  45. 9.3-12 C-band EDFA的特性 飽和 EDFA增益與輸入信號功率的關係

  46. 9.3-12 C-band EDFA的特性 增益頻寬 ∆G=0.25dB ∆G=0.63dB C-Band EDFA之增益

  47. 9.3-12 C-band EDFA的特性 C-Band EDFA之輸出功率

  48. 9.3-12 C-band EDFA的特性 C-Band EDFA之雜訊

  49. 9.3-12 C-band EDFA的特性 :增益平坦度 C-Band EDFA同時放大32個通道訊號

  50. 9.3-12 C-band EDFA的特性 增益平坦濾波器 輸入光 輸出光 EDFA 光纖放大器增益平坦的方法: • 增益均衡技術 利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反抵消增益 的不均勻性。主要有可調濾波器、光纖光柵技術和介質多層薄膜濾波器技術等。

More Related