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1、第4章 光再生技术,主要内容,4.1 信号再生的概念与光再生技术的概况 4.1.1 信号再生的概念 4.1.2 光再生技术概况 4.2 光放大技术 4.2.1 掺铒土元素光纤放大器 4.2.2 拉曼光纤放大器（RFA） 4.2.3 半导体光放大器 4.3 光整形技术 4.3.1 基于非线性光环形镜（NOLM）的光判决门 4.3.2 基于半导体光放大器的光判决门 4.3.3 基于非线性饱和吸收效应的光判决门,1光再生技术,一个完整的信号再生包括放大、定时、整形三部分，又称3R再生。3R再生的示意图见课本P56。 值得注意的是，虽然一个完整的光再生包含了三个过程，成为3R功能，但是这三个功能并不是
2、并列关系，而是有优先级的顺序，1R功能特质再放大过程，2R功能则是指再放大、在整形两个过程。3R即再放大、再整形、再定时过程。,光再生即光信号的质量恢复，从实现上来说，光再生可以在电域完成，也可以在光域完成，即全光再生。本章所讨论的光再生特指在光域完成的光再生，即全光3R再生。,4.1.1 信号再生的概念,1光再生技术,掺饵光纤放大器的出现替代了传统的光/电/光式中继器，实现了全光信号传输。但是，对于光通信系统，仅有光放大器实现1R再生功能远远无法满足系统的期望，要进一步延长距离，必须对信号进行全光3R再生，以抑制系统中的噪声、恢复脉冲形状。目前，全光3R再生技术离实用化仍有相当的距离。,理想
3、的光再生的要求：对数据格式和速率透明；功耗低；对输入定时抖动和功率起伏不敏感；高清光比和低啁啾；简单有效；偏振不敏感；输入功率的动态范围要大。,4.1.2 光再生技术的概况,1光再生技术,图4.2为全光3R再生原理示意图入射损伤信号进入全光再生器时被分为两路，一路进入时钟提取单元以提取时钟光信号，提取出的时钟信号具有稳定的幅度和时钟信息；另一路信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，与时钟信号脉冲一同注入光判决门，经过光判决门后可得到全光再生信号。,图4.2 全光3R结构简图,主要内容,4.1 信号再生的概念与光再生技术的概况 4.1.1 信号再生的概念 4.1.2 光再生技术概况 4.2 光
4、放大技术 4.2.1 掺铒土元素光纤放大器 4.2.2 拉曼光纤放大器（RFA） 4.2.3 半导体光放大器 4.3 光整形技术 4.3.1 基于非线性光环形镜（NOLM）的光判决门 4.3.2 基于半导体光放大器的光判决门 4.3.3 基于非线性饱和吸收效应的光判决门,2光放大技术,掺稀土元素光纤放大器是激光技术与光纤制造技术结合的产物，它是利用在光纤中掺稀土元素后的增益机制实现光放大的。其中掺铒光纤放大器（EDFA）是最成熟的一类掺稀土元素光纤放大器。,由于光纤损耗限制了光纤通信系统的传送距离，因而光放大器可以对多个波长的光波透明放大，使得长距离传输系统甩掉了传统的光/电/光中继方式。 影
5、响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 分类：光放大器可分为掺稀土元素光纤放大器、拉曼光纤放大器、半导体光纤放大器。,4.2.1 掺稀土元素光纤放大器,在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。 工作原理图见P59。,掺铒光纤放大器工作原理:,掺铒光纤放大器工作原理图,EDFA的优点：工作波长范围与光纤最小损耗窗口一致；光纤式器件，耦合效果高；电光能量转换效
6、果高；增益高；输出功率大；增益特性稳定；对温度不敏感；与偏振无关；透明传输。 EDFA的缺点:（1）工作波长范围有限：铒离子能级间的能级差决定了EDFA的工作波长范围有限，即只能放大1550nm左右波长的光波。 （2）降低信噪比：EDFA的ASE噪声是光通信系统的重要噪声来源。 （3）增益带宽不平坦：增益起伏呈线性累加的趋势，对于低电平信号会造成SNR恶化，对于高电平信号容易产生非线性效应，同样也会造成SNR恶化。,EDFA泵浦能级的选择,以1480nm作为泵浦能级： 优点：泵浦激光器发射波长与光源激光器相近，激光器价格低；而且1550nm窗口单模光纤对信号光和泵浦光均为单模传输，可用光纤耦合
7、器进行耦合，耦合方便。 缺点：由于泵浦波长与1550nm能级接近，引入的噪声大。,EDFA泵浦能级的选择会对EDFA的工作特性造成影响,以980nm作为泵浦能级： 优点：噪声小，泵浦效率高、增益高 缺点：泵浦半导体激光器需要采用价格昂贵的量子激光器，且由于该能带较窄，要求泵光的频率分布范围窄且稳定，否则能量利用率不高且增益变动大。,EDFA泵浦能级的选择,对于807nm能级：不适于用做EDFA的泵浦能级,在EDFA应用早期，大多数采用1480nm作为泵浦能级。由于采用980nm作为泵浦能级可使EDFA具有更好的工作特性，因而目前越来越多地采用980nm作为泵浦能级。,EDFA的泵浦方式,前向泵
8、浦 后向泵浦 双向泵浦,从光纤放大器内部结构看，按照信号光相对于泵浦光的传输方向来划分，有三种泵浦方式：,EDFA的泵浦方式,EDFA在系统中的应用,（2）线路放大器（OLA）：用在光纤传输链路中，用于补偿线路传输损耗，延长传输距离。 要求：有足够的增益、较低的噪声，以避免放大级联所造成的噪声积累。,目的：为了补偿传输中的光纤损耗 分类：根据放大器在系统中的位置和作用，可分为功率放大器、线路放大器、前置放大器。,（1）功率放大器（OBA）：用在系统发送端，用于提高发送功率，延长传输距离。 要求：输出功率足够大，以增加跨距段距离，对增益要求并不是很高。,EDFA在系统中的应用,（3）前置放大器（
9、OPA）：用在系统接收端，用于提高光接收机灵敏度。 要求：具有很低的噪声系数，以提高接收机的灵敏度，对增益和输出功率要求不高。,EDFA工作波段的拓展,随着技术的发展，利用EDFA对L波段（15701610nm）实现放大的技术已经走向成熟并且商用。 目前主要采用碲化物EDFA来拓展EDFA的放大带宽。,EDFA的带宽不够大，只在15301565nm（即传统的C波段）才有较大且平坦的增益，因此应用于宽带传输系统有很大的局限性。,碲化物EDFA是一种相干光放大器，它能实现20dB以上 的均匀放大。,随着数据传输的发展，原有C波段和L波段已不能满足需求，因此开发S波段放大技术成为目前光通信领域研究的
10、热点之一。,2光放大技术,瑞利散射：当光入射到非线性光学介质中时，可发生光波的散射效应，散射光方向按整个空间分布，频率与入射光相同。 拉曼效应：入射光波的一个光子被一个分子散射，散射的结果有两种情形，一种情形是光子能量被分子吸收而成为另一个低频光子；另一种情形是光子吸收能量成为一个高频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。,4.2.2 拉曼光纤放大器,拉曼光纤放大器的基本原理,E1为基态，E2为激发态。 瑞利散射和拉曼散射,石英光纤具有很宽的拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一个比较宽的主峰。,拉曼光纤放大器,（2）增益介质为传输光纤本身，因此光纤拉曼放大器可以以分布式放大的方式对光信号进行在
11、线放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。,拉曼光纤放大器有如下三个突出的特点：,（1）增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长合适理论上可以放大任意波长信号。,（3）噪声指数低，使其与常规的EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。,拉曼光纤放大器在系统中的应用,拉曼光纤放大器可分为两类：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。,分立式拉曼放大器：利用拉曼效应，做成独立的器件，所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，在系统中主要用于EDFA无法放大的波段来对信号光进行集中放大。,分布式拉曼放大器：所用的光纤比较长，泵浦功率可以
12、降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。 由于分布式拉曼放大技术可以有效地提升系统传输容量因而得到快速的发展，是目前拉曼放大器最为普遍的应用方式。,拉曼光纤放大器在系统中的应用,分布式光纤拉曼放大器辅助传输系统的典型结构图P64。 在DWDM系统的每个传输单元（ Span）的末端拉曼泵浦光注入光纤，并取与信号传输方向相反，以传输光纤为增益介质 ，对信号进行分布式放大。如此，分布式光纤拉曼放大器与掺铒光纤放大器混合使用， 同时对信号进行在线放大。图4.1.1为传输单元内信号光功率和泵浦光功率的变化关系。值得 注意的是，这种反向拉 曼泵浦由于传输
13、单元末端的光信号功率微弱，不会因为拉曼放大 而引起附加的光纤非线性效应。,拉曼光纤放大器在系统中的应用,拉曼辅助传输可以有效地提升DWDM系统性能，这具体表现在使用拉曼放大器以后系统的性能参数如光信噪比、噪声指数和性能质量因子的提升。 分布式拉曼放大器能提高系统性能，从而实现“跨距延伸效益”。跨距延伸使得长距离传输干线上可撤除昂贵的3R中继器，趋向光透明性，具有直接的商业需求。 分布式拉曼放大器还允许通过减小信道间隔来提高光纤的复用度和传输容量。,2光放大技术,半导体光放大器的类型 1）F-P 型SOA 结构最简单的一种SOA，结构图见P66。 2）行波型SOA 特点是光波在行进中进行放大。具
14、体分为单通增益结构和双通增益结构。 3）注入锁定型SOA 是一种多模激光器,半导体光放大器的工作原理 半导体光放大器的工作原理与EDFA的工作原理类似，都是利用受激辐射放大原理，以实现相干光放大，只是他们的结构有很大差别。EDFA的受激辐射放大过程在光纤中发生，SOA的受激辐射放大过程在半导体的有源区中发生。,4.2.3 半导体光放大器,几种光放大器的比较,主要内容,4.1 信号再生的概念与光再生技术的概况 4.1.1 信号再生的概念 4.1.2 光再生技术概况 4.2 光放大技术 4.2.1 掺铒土元素光纤放大器 4.2.2 拉曼光纤放大器（RFA） 4.2.3 半导体光放大器 4.3 光整
15、形技术 4.3.1 基于非线性光环形镜（NOLM）的光判决门 4.3.2 基于半导体光放大器的光判决门 4.3.3 基于非线性饱和吸收效应的光判决门,3光整形技术,我们讨论的光整形主要针对数字信号。 实现光整形中最为关键的一步就是对光信号进行重新判决，因此光整形又称为光判决门技术。,4.3.1 基于非线性光环形镜（NOLM）的光判决门,NOLM光开关的结构图P68。 输入信号的强度包络、信号与探测脉冲之间的群速度失配决定着NOLM的传输特性。 信号与时钟之间的走离不仅影响着再生脉冲的形状，还影响着频谱特性。 NOLM的偏振敏感性也是需要考虑的一个重要问题。利用两段相同的保偏光纤，在ONLM中点
16、处对两段光纤的快慢轴进行交叉拼接可使NOLM偏振无关,3光整形技术,利用较长的DSF使脉冲的偏振随机化，也可实现偏振无关。 还可采用扭转色散位移光纤，消除NOLM的偏振特性。,4.3.2 基于半导体光放大器的光判决门,以SOA为基础的MZI与MI判决器的结构图P69。 这种判决器的缺陷主要在于载流子的恢复时间限制了MZI/MI开关的工作速度，造成再生信号脉冲展宽，限制了其级联能力； SOA的增益压缩效应导致MZI的两臂的不平衡，降低了干涉仪的消光比。,3 光整形技术,4.3.3 基于非线性饱和吸收效应的光判决门,利用电吸收调制器的非线性交叉饱和吸收效应，不仅可用于做全光再生的光判决门，还可用于波长转换、时钟提取。EAM光再生器的结构图见P69。,EAM的交叉饱和吸收效应与输入信号功率及反向偏压的大小有关，通过优化信号的输入功率及工作偏压，可以获得良好的再生信号。理论上与偏振无关，输入信号的相位畸变与频率啁啾都不会转移到探测信号中去。,3 光整形技术,另外一种半导体MQW结构的低温生长光开关（LOTOS） 与EAM类似，利用了MQW的非线性饱和吸收特性，有超快的载流子恢复时
