Chapter 9
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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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Chapter 9

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


Chapter 9

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

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。


9 1 2

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


9 1 3

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


9 1 4

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)


9 1 5

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。


9 1 51

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 1 6

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。


9 1 61

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)


Chapter 9

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


9 2 1

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


9 2 2

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。


9 2 3

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


9 2 4

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。


9 2 41

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


9 2 42

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)


9 2 5

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


9 2 6

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


9 2 61

9.2-6 半導體光放大器的特性

23dB

飽和

注入電流與增益的關係


9 2 62

9.2-6 半導體光放大器的特性

不同波長的增益頻譜圖


9 2 63

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


9 2 7

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


Chapter 9

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


9 3 1

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。


9 3 2

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)


9 3 21

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。


9 3 3

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。


9 3 31

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


9 3 4 edf

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


9 3 5 edf

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


9 3 6 edfa

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


9 3 6 edfa1

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


Chapter 9

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


9 3 7 edfa

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


9 3 8 edfa

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


9 3 9 edfa

9.3-9 EDFA的元件

  • 光隔離器

  • 分波多工器

  • 摻鉺光纖

  • 幫激雷射


9 3 9 edfa1

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。


9 3 9 edfa2

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


9 3 10 edfa

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


9 3 11 edfa

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


9 3 11 edfa1

9.3-11EDFA的參數

放大訊號

輸入訊號


9 3 11 edfa2

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


9 3 12 c band edfa

9.3-12 C-band EDFA的特性

EDFA無訊號輸入時的ASE頻譜


9 3 12 c band edfa1

9.3-12 C-band EDFA的特性

飽和

EDFA增益與輸入信號功率的關係


9 3 12 c band edfa2

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


9 3 12 c band edfa3

9.3-12 C-band EDFA的特性

C-Band EDFA之輸出功率


9 3 12 c band edfa4

9.3-12 C-band EDFA的特性

C-Band EDFA之雜訊


9 3 12 c band edfa5

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


9 3 12 c band edfa6

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。


9 3 12 c band edfa7

9.3-12 C-band EDFA的特性

  • 光纖技術

    摻雜不同的光纖材料或利用光纖的組合來改變EDF的特性,進而改善EDFA 的增益平坦性,主要有以下技術:

    ▪ 摻鋁的EDFA

    ▪ 摻氟化物EDFA

    ▪ 摻碲化物EDFA

    ▪ 混合型EDFA

    ▪ 多纖心EDFA


9 3 12 c band edfa8

9.3-12 C-band EDFA的特性

平坦化EDFA 同時放大32個通道訊號


9 3 13 l band edfa

9.3-13 L-band EDFA的特性

L-Band EDFA不同長度摻鉺光纖的ASE頻譜


9 3 13 l band edfa1

9.3-13 L-band EDFA的特性

L-Band EDFA的輸出頻譜


9 3 13 l band edfa2

9.3-13 L-band EDFA的特性

增益平坦度∆G = Gmax - Gmin)

L-Band EDFA之增益及雜訊指數


9 3 14 edfa

9.3-14EDFA的貢獻

  • 使用一台EDFA做功率放大器系統無中繼距離可以從50~80 km提高到150~180 km。

  • 若在接收端再增加一台前置放大器,系統無中繼距離可提高到200 km以上。若置入線路In-line放大器,在色散不受限情況下,系統的傳輸距離可達上千公里。

  • 促使了長距離、大容量、高速率的光纖通訊的實現,同時它也是DWDM系統及未來高速系統、全光纖網路中所不可或缺的重要器件。


Chapter 9

9.4 拉曼放大器

9.4-1 拉曼放大器的簡介

9.4-2 拉曼放大器的歷史

9.4-3 拉曼放大器的優缺點

9.4-4 拉曼放大器的分類

9.4-5 拉曼放大器的應用

9.4-6 拉曼散射效應

9.4-7 拉曼放大器的原理

9.4-8 拉曼放大器的參數

9.4-9 拉曼放大器的架構

9.4-10 拉曼放大器的特性


9 4 1

9.4-1 拉曼放大器的簡介

  • 無需利用摻雜的光纖作為增益介質,直接使用傳輸的光纖即可獲得增益。

  • 利用光纖非線性效應中的激發拉曼散射原理進行光放大。

  • 獲得增益之波長約為幫激雷射波長往長波長移位100 nm,只要挑選對所需之幫激雷射波長,即可放大光纖低損耗頻帶內的任意信號波段。

  • 利用多個幫激雷射波長之設計,可以獲得寬頻帶、增益平坦之放大器。


9 4 2

9.4-2 拉曼放大器的歷史

  • 激發拉曼散射SRS效應在1972 年首先被觀測到。

  • 1973 年, Stolen 和Ippen 量測的拉曼增益顯示矽光纖的Stoke Shift 近似於13.2THz 。

  • 1976 年, Anyeung 和Yariv 建立SRS 用在光纖中作為背向信號放大理論,討論光纖中的拉曼振盪和被放大的自發輻射雜訊、拉曼雷射光極性之變化的理論。

  • Nissov 證明只用RA就可達到7200 公里的傳輸距離,其比EDFA 放大器具有更好的雜訊特性。

  • 1995年, Emori 利用14XX-nm 幫浦雷射,耦合進WDM 產生100nm 頻寬,高功率的輸出光,且增益平坦度達到1dB 以內。


9 4 3

9.4-3 拉曼放大器的優缺點

光纖拉曼光放大器之優點:

  • 架構簡單

  • 低雜訊,因為直接在傳輸光纖提供放大。

  • 可選擇放大頻帶在光纖低損耗頻帶內。

  • 具有非常寬的增益頻帶。

    光纖拉曼光放大器之缺點:

  • 缺點為需要大的幫浦光功率

  • 由於拉曼效應,使得能量從高頻率轉移到低頻率,產生了拉曼串音(Cross talk),使信號劣化。


9 4 4

9.4-4 拉曼放大器的分類

光纖拉曼光放大器依使用方式分為兩類:

  • 分佈式(Distributed)放大器

    增益遍及整條傳輸線,此類之放大器稱為Distributed 放大器。 其優點為能減輕雜訊的干擾,增加放大器跨距(Span)的距 離。

  • 離散式(Discrete)放大器

    使用高摻雜(如鍺)的光纖,加大光纖核心與Cladding 的折射率差,並減小核心面積,以加大拉曼增益常數,使用約10 公里的長度,提供約20~25dB的放大,使用上如同EDFA放大器,其缺點產生非常大的非線性效應。


9 4 41

9.4-4 拉曼放大器的分類

離散式放大器

分佈式放大器

非線性效應

高雜訊


9 4 5

9.4-5 拉曼放大器的應用

  • 拉曼放大器在系統中的應用主要是針對超長跨距的 光纖傳輸,例如跨海通信和陸地長距離光纖傳輸。

  • 將分散式拉曼放大器用作前置光纖放大器,憑藉其 低雜訊特性,提高系統的整體接收靈敏度,從而延 長傳輸距離或提高系統設計餘裕度。


9 4 6

9.4-6 拉曼散射效應

散射所引起的非線性效應分為兩種

  • 拉曼散射:

    主要是因為光子與optical phonon 的散射

  • Brillouin 散射 :

    主要是光子與acoustic phonon的散射

    激發拉曼散射 SRS 的兩種型態

  • Stoke 散射

  • Anti-Stoke 散射

    因由振動能階Ev 上的分子所引起,所以 它的

    強度會比stoke散射弱。


9 4 61

9.4-6 拉曼散射效應

虛擬能態

幫激光子

震動能態

: 浦郎克常數

phonon

電子

: 激發光之頻率

基態

: 震動能階之頻率

電子

Stoke散射

虛擬能態

幫激光子

震動能態

基態

Anti-Stoke散射


9 4 7

9.4-7 拉曼放大器的原理

高功率幫激光

0.5mW~1W

Raman Shift Light

1455nm

1570nm

1540nm

Raman Shift ~100nm

  • 利用光纖非線性效應中的激發拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS) ,導致部份光波成份移位到長波長區域。


9 4 8

9.4-8 拉曼放大器的參數

拉曼增益常數

有效光纖截面積

幫浦光的光纖衰減常數

輸入的幫浦光功率

訊號光的功率

幫激光的頻率

信號光的頻率

輸入信號功率對幫浦光功率的比例

  • 放大增益

  • 飽和增益

  • NoiseFigure同EDFA


9 4 9

9.4-9 拉曼放大器的架構

WDM

傳輸光纖

輸出光

Pump Laser

WDM

Isolator

Input

輸出光

輸入光

輸入光

Pump Laser

分佈式順向拉曼放大器

分佈式逆向拉曼放大器


9 4 91

9.4-9 拉曼放大器的架構

  • 兩架構的比較


9 4 10

9.4-10 拉曼放大器的特性

4-10 拉曼放大器的特性


9 4 101

9.4-10 拉曼放大器的特性

幫激功率、光纖長度與增益的關係


9 4 102

9.4-10 拉曼放大器的特性

因幫激光不足

訊號開始衰減

G

拉曼放大器的特性


9 4 103

9.4-10 拉曼放大器的特性

多幫激光

Gain flattened bandwidth

利用多幫激波長 疊加增益平坦頻寬


Chapter 9

9.5 光放大器的比較


Chapter 9

9.5 光放大器的比較


Chapter 9

9.6 未來發展方向

寬頻光纖放大器的研發方向

  • 新的基體材料,如以碲為基底(tellurite-based)的摻鉺光纖放大器。

  • 使用傳統波段與長波段摻鉺光纖放大器並行的架構。

  • 特殊增益的摻鉺光纖放大器與拉曼放大器的串聯架構。

  • 研發超寬頻、高增益、增益平坦度佳的光放大器,能在

    1292~1660 nm波長範圍內獲得頻寬300 nm,Tbps

    DWDM光網路傳輸系統將一定會實現。


Chapter 9

9.6 未來發展方向

使用EDFA結合Raman提高增益


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