slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
光放大器 PowerPoint Presentation
Download Presentation
光放大器

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 77

光放大器 - PowerPoint PPT Presentation


  • 99 Views
  • Uploaded on

光放大器. 1 基本概念 2 半導體光放大器 3 掺鉺光纖放大器 4 拉曼放大器 5 光放大器的比較 6 未來發展方向. 1 基本概念. 1-1 光放大器的作用 1-2 理想光放大器之特性 1-3 光放大器的參數 1-4 光放大器之頻帶 1-5 光放大器的應用 1-6 光放大器的分類. 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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about '光放大器' - mostyn


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1
光放大器

1 基本概念

2 半導體光放大器

3 掺鉺光纖放大器

4 拉曼放大器

5 光放大器的比較

6 未來發展方向

slide2
1基本概念

1-1 光放大器的作用

1-2 理想光放大器之特性

1-3 光放大器的參數

1-4 光放大器之頻帶

1-5光放大器的應用

1-6 光放大器的分類

slide3
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。

slide4
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
slide5
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
slide6
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)
slide7
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。

slide8
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

slide9
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。

slide10
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)
slide11
2半導體光放大器

2-1 半導體光放大器的簡介

2-2 半導體光放大器的優點

2-3 半導體光放大器的缺點

2-4 半導體光放大器的分類

2-5 半導體光放大器的原理

2-6 半導體光放大器的特性

2-7 未來發展方向

slide12
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
slide13
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。

slide14
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
slide15
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。

slide16
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

slide17
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)

slide18
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

slide19
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

slide20
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

slide21
2-6半導體光放大器的特性

不同波長的增益頻譜圖

slide22
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

slide23
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

slide24
3光纖放大器

3-1 光纖放大器的簡介 3-8 決定EDFA特性之因素

3-2 光纖放大器的優點 3-9 EDFA的元件

3-3 光纖放大器的應用 3-10 EDFA的架構

3-4 摻鉺光纖EDF的結構 3-11 EDFA的參數

3-5 摻鉺光纖EDF的特性 3-12 C-band EDFA的特性

3-6 EDFA的幫激光源 3-13 L-band EDFA的特性

3-7 EDFA的原理 3-14 EDFA的貢獻

slide25
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1.5μm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。

slide26
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)
slide27
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。

slide28
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。
slide29
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

3 4 edf
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

3 5 edf
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

3 6 edfa
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

3 6 edfa1
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

slide34

3-7 EDFA的原理

`

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)

  • 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

3 7 edfa
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

3 8 edfa
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
3 9 edfa
3-9 EDFA的元件
  • 光隔離器
  • 分波多工器
  • 摻鉺光纖
  • 幫激雷射
3 9 edfa1
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。
3 9 edfa2
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

1.48/1.58μm 分波多工器各波長所對應之插入損失

3 10 edfa
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

3 11 edfa
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

3 11 edfa1
3-11EDFA的參數

放大訊號

輸入訊號

3 11 edfa2
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

3 12 c band edfa
3-12 C-band EDFA的特性

EDFA無訊號輸入時的ASE頻譜

3 12 c band edfa1
3-12 C-band EDFA的特性

飽和

EDFA增益與輸入信號功率的關係

3 12 c band edfa2
3-12 C-band EDFA的特性

增益頻寬

∆G=0.25dB

∆G=0.63dB

C-Band EDFA之增益

3 12 c band edfa3
3-12 C-band EDFA的特性

C-Band EDFA之輸出功率

3 12 c band edfa4
3-12 C-band EDFA的特性

C-Band EDFA之雜訊

3 12 c band edfa5
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

3 12 c band edfa6
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。

3 12 c band edfa7
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

3 12 c band edfa8
3-12 C-band EDFA的特性

平坦化EDFA 同時放大32個通道訊號

3 13 l band edfa
3-13 L-band EDFA的特性

L Band EDFA不同長度摻鉺光纖的ASE頻譜

3 13 l band edfa1
3-13 L-band EDFA的特性

L Band EDFA的輸出頻譜

3 13 l band edfa2
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

3 14 edfa
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。
slide57
4 拉曼放大器

4-1 拉曼放大器的簡介

4-2 拉曼放大器的歷史

4-3 拉曼放大器的優缺點

4-4 拉曼放大器的分類

4-5 拉曼放大器的應用

4-6 拉曼散射效應

4-7 拉曼放大器的原理

4-8 拉曼放大器的參數

4-9 拉曼放大器的架構

4-10 拉曼放大器的特性

slide58
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。
slide59
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
slide60
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。
slide61
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。

slide62
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

slide63
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。
slide64
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 弱。

slide65
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

slide66
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。
slide67
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
  • Noise Figure同EDFA
slide68
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

slide70
4-10 拉曼放大器的特性

4-10 拉曼放大器的特性

slide71
4-10 拉曼放大器的特性

幫激功率、光纖長度與增益的關係

slide72
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

slide73
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

slide76
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 ,Tbit/s DWDM

光網路傳輸系統將一定會實現。

slide77
6 未來發展方向

使用EDFA結合Raman提高增益