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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. ….

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Chapter 9 光放大器

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  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。

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