光纤通信5-1概要课件

*,*,济南大学 理学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2024/11/17,光纤通信,2023/10/8光纤通信,2024/11/17,2,内容提要,:,光纤通信网需要大量的光纤网络器件。,网络中常用的器件有两类：,有源器件、无源器件。,这一章我们介绍它们的工件原理，结构、技术指标以及在网络中的应用。,这几年光纤通信系统日益网络化，光纤网络是由许多有源和无源器件构成。有源器件内部有电到光的能量转换过程，无源器只是对光进行处理。,第五章 光网络器件,2023/10/82内容提要:光纤通信网需要大量的光纤网络器,2024/11/17,3,光耦合器，光滤波器，光隔离器，光环行器，光纤连接器、光开关等。,半导体光放大器、掺杂（稀土元素）光纤放大器、拉曼光纤放大器等。,无源器件包括：,有源器件包括：,第五章 光网络器件,2023/10/83光耦合器，光滤波器，光隔离器，光环行器，,2024/11/17,4,光放大器的增益系数，饱和光功率，噪声系数；,半导体光放大器的结构，增益曲线（增益谱）；,掺铒光纤放大器结构参数，工作原理和性能指标；,光纤拉曼放大器的增益谱及性能指标；,光放大器的应用类型（功率放大,中继放大,前置放大）。,有源器件知识要点,第五章 光网络器件,2023/10/84 光放大器的增益系数，饱和光功率，噪声,2024/11/17,5,光耦合器的工作原理和参数；,滤波器的类型和工作原理；,光环行器的分类和它们的工作原理；,光衰减器的类型和工作原理；,光连接器的类型结构和参数；,光开关的类型和工作原理。,无源器件知识要点,第五章 光网络器件,2023/10/85 光耦合器的工作原理和参数；无源器件知,2024/11/17,6,5.1,光放大器,5.1.1,概论,5.1.2,半导体光放大器,SOA,5.1.3,掺杂光纤放大器,5.1.4,拉曼光纤放大器,5.1.5,光放大器的应用,第五章 光网络器件,2023/10/865.1 光放大器第五章 光网络器件,6,2024/11/17,7,5.1,光放大器,光放大器是通过受激辐射来放大微弱光信号的。增益介质在光泵浦或电泵浦作用下,使粒子数反转，然后在信号光的受激辐射下而对光信号进行放大的。在光纤通信中，不论是半导体光放大器还是光纤掺杂光纤放大器，它们都没有谐振腔（无选频装置）。信号光在增益介质中行走一个单程而放大的,结构,如下图所示。,1.,增益系数,5.1.1,概论,2023/10/875.1 光放大器 光放大器是通过,2024/11/17,8,5.1,光放大器,注入电流,增透膜,R,2,增透膜,R,1,有源区,输入光信号,输出光信号,半导体光放大器,SOA,2023/10/885.1 光放大器注入电流增透膜R2增透,2024/11/17,9,5.1,光放大器,g,0,(,),放大器泵浦电平决定的增益锋值；,入射光的角频率；,0,介质原子跃迁的角频率,(,固有频率,),；,P,入射光信号的光功率；,P,sat,达到,饱和时的入射光功率（与介质特性有关）；,T,2,偶极子弛豫时间,(,落后外电场的时间，约,0.1ps1ns,）,。,增益系数（,g,）,增益介质单位长度的增益。,增益系数是光频和光功率的函数，其关系式为,比李玉权,.,光波导原理与技术,P327,公式多该项,2023/10/895.1 光放大器 g0()放大器泵,2024/11/17,10,5.1,光放大器,光放大器是放大微弱光信号的,;,对于小信号,P,/,P,sat,0,，则,n,sp,1,；,由此得：,n,sp,1,（在,1.44.0,之间）。,自发辐射的噪声叠加到信号之上,会降低信噪比,SNR,，,信噪比的劣化用噪声系数,F,n,表示,其定义为,2023/10/8235.1 光放大器N2、N1分别是受激,2024/11/17,24,5.1,光放大器,（,1,）,输入信噪比,光放大器输入端的信号功率，如果不经放大器而是直接通过光检测器，则可得光检测器的光电流为,信号功率,R,为光检测器的响应度,则,表示电功率,2023/10/8245.1 光放大器（1）输入信噪比,2024/11/17,25,5.1,光放大器,光检测器的散粒噪声（在此只考虑受散射噪声限制时）为,B,为光接收机带宽,则输入信噪比,噪声功率（忽略热噪声）,2023/10/8255.1 光放大器光检测器的散粒噪声（,2024/11/17,26,5.1,光放大器,P,in,经光放大器放大,G,倍后，则光功率为,GP,in,对应的光电流,则,噪声功率,散粒噪声,（,2,）,输出信噪比,信号功率,很小可忽略,互调噪声,2023/10/8265.1 光放大器Pin经光放大器放大,2024/11/17,27,5.1,光放大器,故得,互调噪声,因此得输出信噪比为,2023/10/8275.1 光放大器故得互调噪声因此得输,2024/11/17,28,5.1,光放大器,则噪声系数为,一种理想情况是：,如果,n,sp,=1,F,n,=2,即,3dB,，也就是说这种理想情况下，经 过光放大器的信噪比是未放大前光信号信噪比的一半。,实际并非如此（以掺铒放大器为例）,当,n,sp,=2,时,得,F,n,=4,，即,6dB,，经光放大器放大后的信噪比是原信噪比的四分之一。,虽然光放大器降低了信噪比，但传输距离增大了，设计时可以使光发射机的噪声尽可能的小，这样才能保证终端信噪比满足设计要求。,2023/10/8285.1 光放大器则噪声系数为一种理想,2024/11/17,29,5.1,光放大器,法布里,-,珀罗放大器（,FPA,）,和行波放大器（,TWA,）,5.1.2,半导体光放大器,SOA,泵浦电流,反射面,反射面,有源区,输入光信号,输出光信号,z,=0,z,=L,A,泵浦电流,增透膜,增透膜,有源区,输入光信号,输出光信号,z,=0,z,=L,B,图,A,FPA,放大器,图,B,TWA,放大器,1.,半导体光放大器,SOA,半导体放大器分为,2023/10/8295.1 光放大器法布里-珀罗放大器（,2024/11/17,30,5.1,光放大器,入射到光放大器中的信号光要在光放大器中来回反射，反射一次就输出一放大的信号光，同一信号会多次输出，造成脉冲展宽！,因此，,FPA,不能作为光通信中中的光放大器,!,而行波放大器,TWA,只在介质中行,走一个单程,，因此不会出现脉冲展宽，故可做为光通信中的光放大器。,半导体的自然解理面的反射率,R,1,=,R,2,=,R,=0.32,2023/10/8305.1 光放大器 入射到光放大器中,2024/11/17,31,LD,与,SOA,比较,自然解理面,自然解理面,注入电流,有源区,LD,（,F-P,）,半导体激光器,自然解理面,自然解理面,注入电流,有源区,SOA,半导体光放大器,5.1,光放大器,2023/10/831LD与SOA比较自然解理面自然解理面注,2024/11/17,32,5.1,光放大器,（,1,）利用,F-P,干涉理论可求得,FPA,的放大倍数,R,反射面的反射系数；,c,/,n,光在有源区的速度,v,。,G,s,一个与频率有关的参量，称为单程功率放大因子；,2.,光放大器的增益,由此式可知，增益,G,FPA,随外来信号光频,按 变化。,式中：,2023/10/8325.1 光放大器（1）利用F-P干涉,2024/11/17,33,当,时,G,最大,.,当,时,G,最小,.,5.1,光放大器,2023/10/833当时,G 最大.当时,G 最小.5,2024/11/17,34,5.1,光放大器,G,0,增,益,频率,0,G,FPA,max,G,FPA,min,R,=0.3,R,=0.03,R,=0,(,行波放大器增益,),R,=0.32,时,，,=,0,就是激光器的主纵模，其他都是边模，,R,=0.03,时，与,R,=0.32,相似，只是选频特性变差，各峰值变小，对应各峰值频率,N,为,2023/10/8345.1 光放大器G0增频率0GF,2024/11/17,35,求峰值谐振频率,N,由,F,-,P,干涉仪输出光功率表达式,P,out,有极大值，即干涉相长，,所对应,N,就是各峰值光频。,由此式可以求出各个峰值间的间隔,N,5.1,光放大器,2023/10/835求峰值谐振频率NPout有极大值，即,2024/11/17,36,5.1,光放大器,在光放大器出射端的输出光功率为,该放大器的单程功率增益为,（,2,）,TWA,光放大器,对于行波放大器，,R,=0,，则增益,G,=,G,TWA,行波放大器只有单程放大，长度为,L,的增益介质，在,z,处的光功率为,2023/10/8365.1 光放大器在光放大器出射端的输,2024/11/17,37,5.1,光放大器,注明：,G,与输入信号的偏振态有关，其原因是有源区矩形结构晶体的扩散杂质不均匀造成的。可引起,57dB,的偏差。,减少这种偏差的方法：,矩形波导改成正方形波导，最好是圆形波导；,波导中掺杂要均匀；,串联或并联两个波导。,半导体光放大器,SOA,的典型增益,G,=2030dB,。,为单位长度损耗系数。,为光场限制因子，,式中，,2023/10/8375.1 光放大器注明：G与输入信号的,2024/11/17,38,5.1,光放大器,SOA,串联和并联使用,2023/10/8385.1 光放大器SOA串联和并联使用,2024/11/17,39,5.1,光放大器,（,3,）放大器的带宽,由,2023/10/8395.1 光放大器（3）放大器的带宽由,2024/11/17,40,5.1,光放大器,开方得：,该式成立的条件是,:,0.17,RG,S,5.83,2023/10/8405.1 光放大器开方得：该式成立的条,2024/11/17,41,5.1,光放大器,对于理想的行波放大器,R,=0,，实际上很难做到！,在,R,=0.32,时：,FPA,的带宽一般只有,10GH,Z,对应的波长只有,0.08,nm,不适合光放大器。特别不适用于波分复用系统。用它作为滤波器很好,各峰之间的频率间隔为,改变泵浦电流,就可以改变折射率,即改变了,.,2023/10/8415.1 光放大器对于理想的行波放大器,2024/11/17,42,5.1,光放大器,2023/10/8425.1 光放大器,2024/11/17,43,5.1,光放大器,因此，对解理面要镀增透膜,但也不容易达到要求,于是采用倾斜腔可以避免形成谐振腔的,行波放大器。,行波放大器的带宽可用下式估算：,2023/10/8435.1 光放大器因此，对解理面要镀增,2024/11/17,44,5.1,光放大器,可以做光放大器。,0,增,益,G,频率,0,G,PFA,G,TWA,TWA,PFA,2023/10/8445.1 光放大器可以做光放大器。0,2024/11/17,45,5.1,光放大器,N,自由电子浓度；,（,4,）噪声系数,自发复合发光,不是高能态电子受激跃迁低能态受激辐射，考虑谐振腔内部的损耗系数 ，可使增益减少到 。,N,0,自由空穴浓度。,噪声系数,F,n,的主要影响来,自发辐射因子,n,sp,它表示了自发辐射率对净受激辐射率之比。对于,SOA,，,n,SP,的表达式为,2023/10/8455.1 光放大器N自由电子浓度；（,2024/11/17,46,作业：,5.3 5.4 5.6,噪声系数,F,n,可表示成,SOA,的,F,n,=69dB,5.1,光放大器,2023/10/846作业：噪声系数Fn可表示成SOA的Fn,Thank You!,Thank You!,