光通信中的全光信號(hào)處理第四章-全光再生技術(shù)

1、光通信中的全光信號(hào)處理技術(shù) 第四章 全光再生技術(shù)一全光再生技術(shù)概述二全光放大技術(shù)三 全光整形技術(shù)四全光時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)一 全光再生技術(shù)概述 在長(zhǎng)距離超高速光通信網(wǎng)中，由于一些因素的影響，導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中惡化，這些因素主要有：1 光纖及光器件的群速度色散(GVD)、光纖的偏振模色散 (PMD)，2 光放大器的自發(fā)輻射噪聲所引起的噪聲積累，3 光纖非線性效應(yīng)，包括交叉相位調(diào)制(XPM)，四波混頻 (FWM)，受激拉曼散射(SRS)等，導(dǎo)致脈沖包絡(luò)畸變，4 信道內(nèi)或信道間相互干擾。 由于以上各種效應(yīng)的單獨(dú)作用或者共同影響，不論其傳輸碼型如歸零碼、非歸零碼以及啁啾歸零碼，上述各種效應(yīng)最終會(huì)造成信號(hào)惡

2、化，無(wú)處乎 3 種形式：強(qiáng)度噪聲、定時(shí)抖動(dòng)(Timing jittering)以及脈沖包絡(luò)畸變。這些都將導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率增加。 對(duì)于可預(yù)知色散量的點(diǎn)到點(diǎn)通信，可以采用色散補(bǔ)償技術(shù)對(duì)群速度色散進(jìn)行補(bǔ)償。而在未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)中，由于光交叉連接、光交換和光動(dòng)態(tài)路由技術(shù)的使用，使得信號(hào)從源端到目的端的節(jié)點(diǎn)數(shù)無(wú)法確定，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)的光纖長(zhǎng)度變得不可預(yù)測(cè)，在這種情況下，原有辦法將無(wú)能為力。其次，在高速率傳輸時(shí)，偏振模色散的影響將越來(lái)越嚴(yán)重，因此PMD補(bǔ)償也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但是PMD的隨機(jī)性，使其在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中補(bǔ)償具有很大困難。 另外，由于光傳輸中的非線性效應(yīng)，如SPM、XPM和FWM等，與群速度色散的聯(lián)合

3、作用會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)脈沖的形狀和頻譜發(fā)生畸變；光放大器的自發(fā)輻射噪聲與GVD的聯(lián)合作用引起的孤子脈沖定時(shí)抖動(dòng)的積累，這些因素造成了傳輸信號(hào)的嚴(yán)重?fù)p傷，限制了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)級(jí)聯(lián)的能力，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，最終限制了系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和距離。1R再生（再放大）可以放大信號(hào)光功率，2R再生（再整形，再放大）可以明顯抑制信號(hào)的幅度噪聲，提高信號(hào)的消光比，但由于沒(méi)有再定時(shí)功能，定時(shí)抖動(dòng)的積累最終限制了其級(jí)聯(lián)能力。3R 再生是解決上述問(wèn)題的最有效的方法。利用3R（再放大，再整形，再定時(shí)） 再生器作為網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備還可以使網(wǎng)絡(luò)間的互通更為容易。因此，必須對(duì)光信號(hào)進(jìn)行全光再生。 目前，光再生仍主要在電域完成，具體處理過(guò)程

4、為：光電光，即光信號(hào)首先由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路處理放大后，再重新調(diào)制到光源上，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器優(yōu)點(diǎn)：消光比高，偏振不敏感；缺點(diǎn)：裝置復(fù)雜、體積大、耗能多、對(duì)傳輸數(shù)據(jù)不透明，同時(shí)由于電子器件速率的限制，網(wǎng)絡(luò)的速率將受到限制。隨著相干光通信、偏振復(fù)用等技術(shù)的發(fā)展，其愈顯笨拙。 全光 3R再生技術(shù)也可在光域內(nèi)完成 ，使網(wǎng)絡(luò)的透明性、靈活性和擴(kuò)展性能夠得到充分地保證。因此，被認(rèn)為是未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。但是，全光 3R再生技術(shù)本身還并不成熟，大量研究在進(jìn)展中。3R 再生可在電域進(jìn)行，也可在光域進(jìn)行。 全光3R 再生系統(tǒng)主要由光放大、光時(shí)鐘提取和光判決三部分組成。畸變

5、光信號(hào)通過(guò)耦合器分為兩路，一路用于時(shí)鐘提取，時(shí)鐘恢復(fù)單元提取出低抖動(dòng)、高信噪比的時(shí)鐘，其波長(zhǎng)與原信號(hào)可以相同，也可以不同；另一路信號(hào)經(jīng)光放大器放大后，進(jìn)入判決單元，作為光判決門的控制光，使用提取出的時(shí)鐘，完成再整形和再定時(shí)功能。全光3R 再生過(guò)程對(duì)于理想的全光再生器，一般需要滿足以下要求：（1）對(duì)數(shù)據(jù)格式和速率透明；（2）低功耗；（3）對(duì)輸入抖動(dòng)和功率波動(dòng)不敏感；（4）高消光比和低啁啾；（5）簡(jiǎn)單有效，成本低；（6）偏振不敏感；（7）大的輸入功率動(dòng)態(tài)范圍。全光3R 再生原理1 光放大器概述2 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益3 半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益4 放大器噪聲5 光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用6 拉曼光

6、纖放大器二全光放大技術(shù)歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技術(shù)是光纖通信技 術(shù)上的一次革命動(dòng)機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問(wèn)題 光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光電光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼。1 光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。 影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù) 走向?qū)嵱没?、促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒(méi)有正

7、反饋機(jī)制(2) 受激輻射(1) 能量注入 原理: 在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒(méi)有反饋或反饋較小的激光器。功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、補(bǔ)償插入 損耗和功率分配損耗 (如PON中)-power booster在線光放大：用于不需要光再生只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合-in-line amplifier 前置光放大：用于提高接收機(jī)的靈敏度-preamplifier 應(yīng)用方式:利用稀土摻雜的光纖放

8、大器（EDFA、PDFA）利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA） 類型利用稀土金屬離子 (鉺) 或鐠銩等作為激活工作物質(zhì)的放大器摻雜光纖放大器 (DFA)EDFA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)利用稀土金屬離子 銩作為激活工作物質(zhì)的放大器結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管 (Laser Diode, LD) 相同半導(dǎo)體激光放大器 (SOA)非線性光纖放大器 利用光纖非線性效應(yīng)作為工作原理的放大器放大器類型原理激勵(lì)方式工作長(zhǎng)度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無(wú)好半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m1mm差很難大差光纖(喇曼

9、)放大器光學(xué)非線性(喇曼)效應(yīng)光數(shù)千米好容易大好幾種光放大器的比較展寬帶寬：C-band 40nm, L-band 再加40nm；均衡功能：針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的增益均衡，針對(duì)全光網(wǎng)的功率均衡；監(jiān)控管理功能：在線放大器，全光網(wǎng)路由改變；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；其它波段的光纖放大器，如Raman放大器。研究新熱點(diǎn)摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長(zhǎng)為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長(zhǎng)為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長(zhǎng)為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前

10、，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。2 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長(zhǎng)距離傳輸成為可能大大增加了功率預(yù)算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)發(fā)熱潮摻鉺光纖放大器給光纖通信領(lǐng)域帶來(lái)的革命工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用；對(duì)數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級(jí)成本低；增益高(40dB)、輸出功率大(30dBm)、噪聲低(45dB)；全光纖結(jié)構(gòu)，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號(hào)偏振態(tài)無(wú)關(guān)，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功

11、率低(數(shù)十毫瓦)。為什么要用摻鉺光纖放大器EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Input signal1530nm-1570nmAmplified output signalPower laser (Pump)980nm or 1480nmFiber containing erbium dopant信號(hào)光與波長(zhǎng)較其為短的光波（泵浦光）同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度得到放大，泵浦光沿光纖長(zhǎng)度不斷衰減。EDFA的工作原理EDFA中

12、的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長(zhǎng)可以是520、650、800、980、1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nmEDFA 工作原理?yè)姐s光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)上，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級(jí)上，并在該能級(jí)和低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復(fù)用耦合器：將信號(hào)光和

13、泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCin outLDWDMEDFAPCAPCin out同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)Multistage EDFA由于光纖對(duì)1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光又常用于遙泵方式。Remote Pumping光放大器的增益放大器的噪聲EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化E

14、DFA的工作特性增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號(hào)有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號(hào)光功率輸入信號(hào)光功率A 光放大器的增益小信號(hào)增益G30 dB時(shí)，增益對(duì)輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時(shí)，G是一常數(shù)，即輸出光功率PS,OUT與輸入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信號(hào)增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開(kāi)始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域增益G與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。對(duì)于給定

15、的放大器長(zhǎng)度（EDF長(zhǎng)度），增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號(hào)增益隨泵浦功率而變的曲線EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率輸出能量不超過(guò)原有信號(hào)能量與注入的泵浦能量之和功率轉(zhuǎn)換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號(hào)光，那么此時(shí)：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：EDFA的增益：隨輸入功率的變化假設(shè)沒(méi)有自發(fā)輻射，由能量守恒原則有：當(dāng)輸入功率非常大時(shí)，即 Ps,in (lp/ls)Pp,in ，放大器增益是1，即對(duì)信號(hào)無(wú)放大EDFA的增益：隨增益介質(zhì)長(zhǎng)度變化當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)的時(shí)候，EDFA長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)的最大增益為：其中r為稀土元素的濃度，se是信號(hào)

16、發(fā)射截面0L吸收區(qū)增益降低因此，最大可能的放大增益為：EDFA的增益3 半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外部光照導(dǎo)致受激輻射，信號(hào)光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會(huì)被放大（1） SOA概述pn外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外部光照導(dǎo)致受激輻射，信號(hào)光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會(huì)被放大容易制作，但光信號(hào)增益對(duì)放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感（2） SOA的分類FP半導(dǎo)體光放大器多峰值、帶寬窄，不適合通信系統(tǒng)應(yīng)用，只可用于一些信號(hào)處理。FP半導(dǎo)體光放大器入射光從左端面進(jìn)入，通過(guò)具有增益的有源層，到達(dá)右端面后，部分從端面反射，

17、然后反向通過(guò)有源層至左端面，部分光從左端面出射，其余部分又從端面反射，再次通過(guò)有源層，如此反復(fù)，使入射光得到放大。帶寬寬、飽和功率高以及偏振靈敏度低，因此使用更為廣泛（2） SOA的分類行波半導(dǎo)體光放大器TWSOA與FPSOA的區(qū)別在于端面的反射率大小， TWSOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。TWSOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個(gè)缺點(diǎn)限制著它在光纖通信中的實(shí)際應(yīng)用：對(duì)光信號(hào)偏振態(tài)的敏感性；對(duì)光信號(hào)增益的飽和性。行波半導(dǎo)體光放大器起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長(zhǎng)方形，對(duì)橫向（長(zhǎng)方形的寬邊方向）和豎向（長(zhǎng)

18、方形的窄邊方向）的光場(chǎng)約束不同，光場(chǎng)在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，因而豎向的光增益弱于橫向。因此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的增益大，取豎向時(shí)的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計(jì)；使用方法著手。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直并接，在輸入端采用偏振分束器將信號(hào)分成TE和TM偏振信號(hào),分別輸入至相互垂直的SOA，然后將兩只SOA放大的TE和TM偏振信號(hào)合成，得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信號(hào)。輸入光信號(hào)往返兩次通過(guò)同一SOA，但反向通過(guò)前，采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)900相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直串接，所得增益將與偏振無(wú)關(guān)SOA增益偏振相關(guān)性多信道放大中存在問(wèn)題噪聲大信道串?dāng)_（交叉增益調(diào)制XGM、四波混頻F

19、WM）增益飽和引起信號(hào)畸變其他應(yīng)用：光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換（XGM, XPM, FWM）光開(kāi)關(guān)：直接調(diào)制SOA的注入電流實(shí)現(xiàn)光的通斷。特點(diǎn)：高速、無(wú)損光信號(hào)處理器件。SOA的應(yīng)用（3） SOA的增益系數(shù)g0最大增益系數(shù)，Psig(z) z點(diǎn)信號(hào)光功率，Psat放大器飽和功率點(diǎn)z處的增益系數(shù)：g0：只有1個(gè)光子入射，該光子至多可以被放大100倍gsat：有2個(gè)光子入射，該光子至多可以被放大50倍 4 25 50 2 100 1Psat：gsat 所對(duì)應(yīng)的光功率Psig(z) g(z) 設(shè)z點(diǎn)處單位時(shí)間可提供100個(gè)電子空穴對(duì)驅(qū)動(dòng)電流一定時(shí)SOA的增益0z長(zhǎng)度dz內(nèi)的光信號(hào)功率增量為：等式兩端移項(xiàng)，并沿有源區(qū)

20、積分得：LSOA的增益P(0)即為輸入光信號(hào)，P(L)即是輸出光信號(hào)，它們的比值就是所求的增益G。此外，exp(g0L)為 SOA最大增益值，并令其值為G0，因此，可以求得G為：（4） SOA增益曲線注意：輸入太小，輸出信號(hào)信噪比不高（5）典型bulk SOA增益譜（6） SOA增益系數(shù)與入射波長(zhǎng)的關(guān)系（7）不同初始載流子濃度下SOA增益系數(shù)與入射功率的關(guān)系（8）不同注入電流下SOA增益系數(shù)與入射功率的關(guān)系（9）不同注入電流下SOA增益系數(shù)與入射功率的關(guān)系（10）不同注入電流下SOA增益系數(shù)與入射功率的關(guān)系（11）不同入射光功率下SOA有源區(qū)內(nèi)載流子濃度的分布 （12）不同入射光功率下SOA有

21、源區(qū)內(nèi)光功率的分布 (13) 在不同功率material透明波長(zhǎng)泵浦下,增益與輸入光功率關(guān)系（14）在不同功率device波長(zhǎng)泵浦下，增益與輸入信號(hào)功率關(guān)系（15） material透明波長(zhǎng)與泵浦波長(zhǎng)和功率的關(guān)系 (有源區(qū)400微米)（16） 載流子濃度的變化（17） 雙泵浦波長(zhǎng)下增益與輸入信號(hào)功率的關(guān)系 (1w)（18）雙泵浦波長(zhǎng)下增益與輸入信號(hào)功率的關(guān)系 (0.1w)（19）雙泵浦波長(zhǎng)下增益與輸入信號(hào)功率的關(guān)系 (0.01w)（20） 雙泵浦波長(zhǎng)有效壽命與信號(hào)功率關(guān)系 (0.01w)（1）交叉增益調(diào)制（2）交叉相位調(diào)制（3）交叉偏振調(diào)制（4）四波混頻所有光放大器在放大過(guò)程中都會(huì)把自發(fā)輻射（

22、或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來(lái)表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。Amplified Spontaneous Emission4 放大器噪聲自發(fā)輻射噪聲(ASE)： 來(lái)源于放大器介質(zhì)中電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合，它導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子寬譜背景。ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1;當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)， nsp1；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基

23、態(tài)的粒子數(shù)ASE噪聲研究發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來(lái)自ASE噪聲與信號(hào)本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的SNR也降低了二倍（或3dB）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過(guò)3dB ，并可能達(dá)到68dB。希望放大器的Fn盡可能低。ASE噪聲信號(hào)光和ASE噪聲一同輸入到光檢測(cè)器中進(jìn)行檢測(cè)，各種頻率分量相互拍頻：因此，在PD之后，ASE 帶來(lái)的噪聲包括： - ASE噪聲項(xiàng) - ASE與信號(hào)的拍頻項(xiàng)它們落在檢測(cè)器帶寬內(nèi)降低接收機(jī)的信噪比解決辦法：通過(guò)一個(gè)帶通濾波器 抑制ASE噪聲功率EDFA的ASE噪聲譜信噪比及噪聲系數(shù)放大器增益

24、足夠大 - 量子噪聲 電路熱噪聲濾波：光信號(hào) ASE噪聲 - ASE-信號(hào)拍頻項(xiàng) ASE噪聲項(xiàng)此時(shí)，輸出信號(hào)的信噪比可以由下式?jīng)Q定：噪聲系數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子而EDFA的噪聲圖結(jié)論：輸入信號(hào)不宜太大 EDFA的增益恢復(fù)時(shí)間g10ms（SOA的g=0.11ns），其增益不能響應(yīng)調(diào)制信號(hào)的快速變化，不存在增益調(diào)制，四波混頻效應(yīng)也很小，所以在多信道放大中不引入信道間串?dāng)_（SOA則不然），是其能夠用于多信道放大的關(guān)鍵所在。EDFA對(duì)信道的插入、分出或無(wú)光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)-瞬態(tài)特性。在系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)予以控制-增益鉗制。EDFA的多信道放大特性多信道放大中存在的其它問(wèn)題：

25、增益平坦增益鉗制高的輸出功率EDFA的級(jí)聯(lián)特性信道間增益競(jìng)爭(zhēng)，多級(jí)級(jí)連使用導(dǎo)致“尖峰效應(yīng)”15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同增益平坦增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重BER接收光功率光功率波長(zhǎng)光功率波長(zhǎng)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)N 123光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)EDFA1N 32 濾波器均衡： 采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對(duì)稱的濾波器使增益平坦，如：薄膜濾波、紫外寫入長(zhǎng)周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。 只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時(shí)增益譜

26、仍會(huì)發(fā)生變化。 EDFA + 均衡器 合成增益增益平坦/均衡技術(shù) 新型寬譜帶摻雜光纖： 如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等， 靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。 聲光濾波調(diào)節(jié)： 根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動(dòng)態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性受限。 預(yù)失真技術(shù)不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整EDFA對(duì)信道的插入、分出或信道無(wú)光故障等因素引起 的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)-瞬態(tài)特 性瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過(guò)大的增益，并輸出過(guò)大的 功率，而產(chǎn)生非線性，最終導(dǎo)致其傳輸

27、性能的惡化-需進(jìn) 行自動(dòng)增益控制對(duì)于級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可短至幾幾十s， 要求增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)為幾幾十s增益鉗制增益鉗制技術(shù)電控：監(jiān)測(cè)EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA增益鉗制技術(shù)在系統(tǒng)中附加一波長(zhǎng)信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長(zhǎng)的功率，而實(shí)現(xiàn)增益鉗制。注入激光WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級(jí)泵浦221916輸出功率（dBm）15401570EDFA的大功率化EDFA的大功率化=0.7%=1.3%纖芯內(nèi)包層外包

28、層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層： 50m芯層(摻鉺)，傳播信號(hào)層(SM)內(nèi)包層，傳播泵浦光(MM)雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。EDFA的寬帶化長(zhǎng)波段（L-band）摻鉺光纖放大器L波段的造價(jià)甚高的原因：低反轉(zhuǎn)水平，需長(zhǎng)摻鉺光纖，強(qiáng)泵浦，此波段其它光器件價(jià)格較高。功率放大器 直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入一般在-8 dBm左右，一般要求有較高的泵浦功率，以獲得較高的輸出功率。例：考慮一個(gè)用作功放的EDFA，增益為10 dB，假設(shè)從發(fā)射機(jī)獲得的輸入為0 dBm，泵浦波長(zhǎng)為980 nm，那么為了在1540

29、 nm 處獲得10 dBm的輸出，泵浦功率至少應(yīng)為：5 光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用在線放大器在線放大器主要用在長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中周期性地恢復(fù)因光纖損耗而減弱的光功率。每個(gè) EDFA 能恰好補(bǔ)償前面通過(guò)長(zhǎng)為 L 的光纖中的功率損耗，即G = exp(-aL)。但補(bǔ)償過(guò)程中積累的ASE噪聲會(huì)造成信噪比的惡化，它可以通過(guò)損傷因子衡量：考慮一個(gè)包括N個(gè)級(jí)聯(lián)的光放大器的光傳輸路徑，每個(gè)放大器增益為30 dB。如果光纖損耗為0.2 dB/km，那么在沒(méi)有其它系統(tǒng)損傷時(shí)，兩個(gè)光放大器之間的距離為150 km。那么，對(duì)于一條900 km的鏈路，需要5個(gè)放大器即可，而且整個(gè)鏈路上的損傷因子為：EDFA的G越大帶來(lái)的噪聲損

30、傷越顯著例如果將光放大器的增益降為20 dB，那么兩個(gè)放大器之間的距離縮減為100 km，于是我們需要8個(gè)放大器才能實(shí)現(xiàn)900 km的傳輸。在這種情況下，噪聲損傷因子為：級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)的OSNR在線放大器增益控制 在長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)中，光纜中損耗的變化或者前置光放大器功能減弱會(huì)引起鏈路功率發(fā)生波動(dòng)。此時(shí)，保持在線放大的輸出功率不變是非常必要的。 自動(dòng)補(bǔ)償這種變化的一個(gè)辦法就是使放大器工作在增益飽和區(qū)。當(dāng)輸入功率減小時(shí)，增益變大；當(dāng)輸入功率增加時(shí)，增益變??；由此來(lái)保持輸出的功率不變。前置放大器前置放大器用來(lái)提高由于熱噪聲限制的直接檢測(cè)接收機(jī)的靈敏度。定義 Smin和 S*min分別為沒(méi)有和有

31、前置放大器時(shí)所要求的最小光功率，二者的比值即為檢測(cè)靈敏度的改善量：其中N為接收機(jī)噪聲電功率，N*為光前置放大器中由ASE引入的噪聲。多信道應(yīng)用SOA中的非線性效應(yīng)嚴(yán)重，易產(chǎn)生信道間干擾，不宜使用EDFA的優(yōu)勢(shì)：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和處理，EDFA可在1530 1600 nm波長(zhǎng)范圍提供平坦增益，使各個(gè)信道保持相近的信噪比。6 光纖拉曼放大器無(wú)需利用摻雜的光纖作為增益介質(zhì)，直接使用傳輸?shù)墓饫w即可獲得增益。利用光纖非線性效應(yīng)中的受激拉曼散射原理進(jìn)行光放大。獲得增益的波長(zhǎng)約為泵浦激光波長(zhǎng)往長(zhǎng)波長(zhǎng)移位100 nm，只要挑選對(duì)所需的泵浦激光波長(zhǎng)，即可放大光纖低損耗頻帶內(nèi)的任意信號(hào)波段。利用多個(gè)泵浦激光波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，可

32、以獲得寬頻帶、增益平坦的放大器。（1） 拉曼放大器的歷史拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。拉曼，又譯喇曼（Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970）因光散射方面的研究工作和喇曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，獲得了1930年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（1） 拉曼放大器的歷史受激拉曼散射SRS效應(yīng)在1972 年首先被觀測(cè)到。1973 年， Stolen 和Ippen 測(cè)量的拉曼增益顯示硅光纖的Stoke Shift 近似13.2THz 。1976 年， Anyeung 和Yariv 建立SRS 用在光纖中作為背向信號(hào)放大理論，討論光纖中的拉曼振蕩和被放大的自發(fā)輻射噪音、拉曼效應(yīng)中光

33、偏振的理論。Nissov 證明只用RA就可達(dá)到7200 公里的傳輸距離，其比EDFA 放大器具有更好的噪音特性。1995年， Emori 利用14XX-nm 泵浦激光，耦合進(jìn)WDM 產(chǎn)生100nm 頻寬，高功率的輸出光，且增益平坦度達(dá)到1dB 以內(nèi)光纖(a)無(wú)泵激光的1550nm 傳輸光功率(dB)波長(zhǎng)1550nm波長(zhǎng)光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm 傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號(hào)即可被放大。這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放

34、大器FRA。光纖拉曼放大器90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對(duì)放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點(diǎn)。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們對(duì)FRA的興趣來(lái)源于這種放大器可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在12701670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。光纖拉曼光放大器之優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單低噪聲，因?yàn)橹苯釉趥鬏敼饫w提供放大?？蛇x擇放大頻帶在光纖低損耗頻帶內(nèi)。 具有非常寬的增益頻帶。光纖拉曼光放大器之缺點(diǎn)：缺點(diǎn)為需要大的泵浦光功率

35、由于拉曼效應(yīng)，使得能量從高頻率轉(zhuǎn)移到低頻率，產(chǎn)生了拉曼串音(Cross talk)，使信號(hào)劣化。 （2） 拉曼放大器的優(yōu)缺點(diǎn) （3）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：分布式(Distributed) 放大器 增益遍及整個(gè)傳輸線，此類放大器稱為Distributed 放大器。 優(yōu)點(diǎn)為能減輕噪音的干擾，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，并減小核心面積，以加大拉曼增益常數(shù)，使用約10 公里的長(zhǎng)度，提供約2025dB 的放大，使用上如同EDFA放大器，其缺點(diǎn)產(chǎn)生非常大的非線性效

36、應(yīng)。Raman Amplifiers分布放大分立放大 （4） 拉曼放大器的應(yīng)用拉曼放大器在系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是針對(duì)超長(zhǎng)跨距的光纖傳輸，例如跨海通信和陸地長(zhǎng)距離光纖傳輸。將分布式拉曼放大器用作前置光纖放大器，憑借其低噪聲特性，提高系統(tǒng)的整體接收靈敏度，從而延長(zhǎng)傳輸距離或提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余度。散射所引起的非線性效應(yīng)分為兩種拉曼散射: 主要是因?yàn)楣庾优coptical phonon 的散射Brillouin 散射 :主要是光子與acoustic phonon的散射受激拉曼散射 SRS 的兩種型態(tài)Stoke 散射Anti-Stoke 散射 （5） 拉曼散射效應(yīng)基態(tài)振動(dòng)能級(jí)虛擬能級(jí)電子泵浦光子phonon基態(tài)

37、振動(dòng)能級(jí)虛擬能級(jí)電子泵浦光子Stoke 散射Anti-Stoke 散射: 普朗克常數(shù): 振動(dòng)能態(tài)的頻率: 信號(hào)光的頻率 （6） 拉曼放大器的原理利用光纖非線性效應(yīng)中的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS) ，導(dǎo)致部份光波成份移位到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域。1455nm相對(duì)強(qiáng)度1540nm1570nm高功率泵浦激光0.5mW1WRaman Shift LightRaman Shift 100nmFRA原理簡(jiǎn)介：物理機(jī)制：光纖拉曼散射效應(yīng):一個(gè)入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一 個(gè)下移stokes頻率的光子和另一個(gè)具有相當(dāng)能量和動(dòng)量的光學(xué)聲子B.與pump光子相差stok

38、es頻率的信號(hào)光子，經(jīng)受激散射過(guò) 程被放大FRA是靠非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)頻率為p和s的泵浦光和信號(hào)光通過(guò)耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過(guò)SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。峰值增益頻移：13.2THz反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術(shù): 14nm的大功率泵 浦激光器，目前以取得實(shí)用化Properties of Raman Scattering in Fibers特性： 在所有類型光纖中都會(huì)發(fā)生 峰值增益頻移13 THz (60-100nm) 增益具有偏振依賴性，當(dāng)泵浦光與信號(hào)光偏振方向平行時(shí) 增益最大，垂直時(shí)增益最小為零 增益譜很寬

39、(125nm)但并不平坦FRA以傳輸光纖作為放大介質(zhì)分布式放大，從而實(shí)現(xiàn)一種“無(wú)損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應(yīng)）光纖拉曼放大器超低噪聲放大原理脈沖幅度z集中放大Nonlinear EffectsNoise High分布放大缺點(diǎn)：泵浦功率大(W)，對(duì)光纖損害。機(jī)制：拉曼增益與泵浦波長(zhǎng)相關(guān)方法：多波長(zhǎng)泵浦增益：各個(gè)泵浦波長(zhǎng)拉曼增益譜的加權(quán)和（以dB為單位）光纖拉曼放大器寬帶放大原理Ultraflat amplifier（7）光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出。消偏輸出和偏振混合輸出。（拉曼散射增益具有偏振依賴性）泵浦波長(zhǎng)至關(guān)重要。信號(hào)光在1300nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在12201

40、240nm，而在1550nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在14401460nm左右處。高功率雙包層拉曼光纖激光器是最佳的泵浦源。（8）光纖拉曼放大器特性Advantages:理論上可以得到任意波長(zhǎng)的增益，前提是需要合適的泵浦源；分布或分立放大均能實(shí)現(xiàn)；使用光纖作為放大介質(zhì)意味著在線放大的可能，可以減少噪聲的積累。Disadvantages:泵浦功率高（500mW）（9） 拉曼放大器的參數(shù)放大增益 飽和增益Noise Figure 同EDFA輸入信號(hào)功率對(duì)泵浦功率的比例拉曼增益常數(shù)有效光纖截面積 泵浦光的光纖衰減常數(shù) 輸入的泵浦光功率 信號(hào)光的功率 泵浦的頻率 信號(hào)光的頻率 （10）拉曼放大器的結(jié)構(gòu)W

41、DMPump Laser輸出光傳輸光纖輸入光分布式同向拉曼放大器WDM輸入光Pump LaserIsolator輸出光Input分布式反向拉曼放大器兩結(jié)構(gòu)的比較同向拉曼放大器反向拉曼放大器容易飽和是否信號(hào)增益相同相同輸出ASE 噪聲小大OSNR 隨長(zhǎng)度而變否是輸出ASE 噪聲隨長(zhǎng)度而變是否非線性效應(yīng)大小泵浦光引起之噪聲大?。?1） 拉曼放大器的特性泵浦功率、光纖長(zhǎng)度與增益的關(guān)系相對(duì)強(qiáng)度利用多對(duì)激發(fā) 疊加增益平坦頻寬多泵浦激光Gain flattened bandwidth光纖放大器比較寬帶Raman+EDFA光放大器Raman 放大器C band EDFApumpfilterRaman Fib

42、erRaman+EDFA光放大器增益曲線光放大器的比較EDFASOARaman放大波段C 或L band13001600依材料而定依泵浦光源波長(zhǎng)而定增益頻寬35nm(C band)攙雜濃度越高或光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)則越寬 30nm(MQW)48nm(單一泵浦)隨泵浦光源數(shù)不同而異增益50dB16dBm與泵浦激光功率相關(guān)10dBm(MQW)15dBm泵浦光源980 或1480nm無(wú)小于被放大信號(hào)波長(zhǎng)約100nm未來(lái)發(fā)展方向 寬頻光纖放大器的研發(fā)方向 新的基體材料，如以碲為基底(tellurite-based)的摻餌光纖放大器。 使用傳統(tǒng)波段與長(zhǎng)波段摻餌光纖放大器并行的結(jié)構(gòu)。特殊增益的摻餌光纖放大器與拉曼

43、放大器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。研發(fā)超寬頻、高增益、增益平坦度佳的光放大器，能在 1292-1660 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得頻寬300nm，Tbit/s DWDM光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。三 全光整形技術(shù)長(zhǎng)距離傳輸會(huì)造成光信號(hào)質(zhì)量下降，如色散導(dǎo)致脈沖展寬、噪聲積累等，表現(xiàn)為眼圖模糊，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，目的是恢復(fù)原始光脈沖。整形的關(guān)鍵是對(duì)光信號(hào)進(jìn)行重新判決，因此光整形技術(shù)又稱光判決門技術(shù)。光判決門的例子有：利用光纖XPM的非線性光纖環(huán)路鏡（NOLM）、干涉儀型光開(kāi)關(guān)、利用SOA 的XPM 效應(yīng)的瑪赫-曾德干涉儀（SOA-MZI）或邁克爾遜干涉儀（SOA - MI）等；還有利用體半導(dǎo)體或多量子阱（MOW）交叉飽和吸收效

44、應(yīng)的電吸收調(diào)制器（EAM）及低溫生長(zhǎng)光開(kāi)關(guān)（LOTOS）；此外還有SOA/DFB 激光器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管等。在眾多光判決技術(shù)中，最有前景的就是干涉儀型光開(kāi)關(guān)和以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的EAM 和LOTOS 判決門?；贜OLM的光判決門結(jié)構(gòu)如下圖，從信號(hào)中提取的光時(shí)鐘脈沖入射到NOLM 的輸入端，經(jīng)耦合器等功率地分成反向傳播的探測(cè)脈沖和參考脈沖。當(dāng)強(qiáng)輸入信號(hào)脈沖與順時(shí)針?lè)较颍–W）傳播的探測(cè)光共同傳輸時(shí)，信號(hào)脈沖的XPM 作用使探測(cè)脈沖產(chǎn)生一相對(duì)于反時(shí)針?lè)较颍–CW）傳播的參考時(shí)鐘脈沖的附加非線性相移；探測(cè)時(shí)鐘脈沖和參考時(shí)鐘脈沖返回后光場(chǎng)疊加。B 端口有無(wú)時(shí)鐘脈沖輸出取決于二者之間的相對(duì)相差。當(dāng)輸入信

45、號(hào)脈沖為“1”時(shí)， = ，時(shí)鐘脈沖完全從B 端口輸出；當(dāng)輸入信號(hào)脈沖為“0”時(shí)，則B 端口輸出為“0”。這樣B 端口的時(shí)鐘脈沖序列再現(xiàn)了輸入信號(hào)的信息。1 基于非線性光環(huán)行鏡的光判決門 輸入信號(hào)的強(qiáng)度、信號(hào)與探測(cè)脈沖之間的群速度失配決定著NOLM 的傳輸特性。信號(hào)和探測(cè)脈沖在環(huán)路中傳輸?shù)娜核俣炔煌?，將?dǎo)致兩脈沖之間的相對(duì)走離，從而影響XPM 作用效果。為了防止這種走離，可以讓信號(hào)和時(shí)鐘脈沖波長(zhǎng)分別位于光纖零色散點(diǎn)兩側(cè)，并具有相同的群速度，但探測(cè)脈沖和信號(hào)脈沖之間走離可以提高NOLM 對(duì)信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)的容忍程度，這是因?yàn)樽唠x可以使NOLM 開(kāi)關(guān)窗口更寬，更平坦。信號(hào)與時(shí)鐘之間的走離不僅影響著再生脈

46、沖形狀，還影響其頻譜特性。當(dāng)走離很小時(shí)（遠(yuǎn)小于信號(hào)脈沖寬度），再生脈沖中間位置具有線性頻率啁啾特性；當(dāng)輸入信號(hào)脈沖逐漸走離時(shí)鐘脈沖時(shí)，其頻譜和形狀不會(huì)發(fā)生變化，因此時(shí)鐘和信號(hào)之間的走離對(duì)于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的定時(shí)偏差和幅度抖動(dòng)是非常必要的。但在高速工作時(shí)，NOLM 必須具有較窄的開(kāi)關(guān)窗口，這就要求信號(hào)與時(shí)鐘間走離也必須很小。 引起NOLM 信噪比（SNR）和消光比劣化的主要原因有兩個(gè)：（1）NOLM 耦合器功率耦合比及由XPM 引起參考脈沖的非線性相移；（2）輸入信號(hào)和時(shí)鐘以及開(kāi)關(guān)窗口之間的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)。 由串話引起的信道串?dāng)_特性如下圖。就信號(hào)串?dāng)_而言，輸入信號(hào)消光比r（P0 / P1）（圖中虛線）

47、并非最佳狀態(tài)，信號(hào)與時(shí)鐘脈沖間的走離存在一個(gè)最佳值，NOLM 引入的信道串?dāng)_C 最小。這是因?yàn)橄鄬?duì)走離抵消了由XPM對(duì)參考脈沖的影響。相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)對(duì)NOLM再生器的影響依賴于抖動(dòng)的概率分布和NOLM 開(kāi)關(guān)窗的特性。在一定脈沖寬度和比特速率下，存在一最佳窗口寬度。因此脈沖間的走離是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)參量。 MZI 與MI 干涉儀利用輸入信號(hào)造成干涉儀兩臂上傳輸?shù)奶綔y(cè)信號(hào)（光時(shí)鐘脈沖）所經(jīng)歷的相移不同，控制探測(cè)信號(hào)在干涉儀輸出端口的相長(zhǎng)或相消干涉，由此控制探測(cè)脈沖在輸出端口的有無(wú)。下圖為標(biāo)準(zhǔn)的MZI 與MI 判決器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。探測(cè)時(shí)鐘與控制信號(hào)既可以同向傳輸，也可以反向傳輸。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，同向傳輸中

48、在輸出端需放置光濾波器以分離出再生信號(hào)，而反向則不需要。2 基于半導(dǎo)體光放大器的光判決門 標(biāo)準(zhǔn)的SOA-MZI 判決門實(shí)際上就是波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。如下圖（a）所示，探測(cè)光同時(shí)注入到干涉儀的兩臂，強(qiáng)控制脈沖（輸入信號(hào)）只注入到干涉儀一臂，當(dāng)信號(hào)為邏輯“1”時(shí)，干涉儀兩臂的不平衡造成探測(cè)時(shí)鐘脈沖在兩臂所經(jīng)歷的相移不等，在輸出端發(fā)生相長(zhǎng)干涉，探測(cè)時(shí)鐘輸出；當(dāng)輸入信號(hào)為邏輯“0”時(shí)，探測(cè)信號(hào)在兩臂的相移相同，在輸出端發(fā)生相消干涉，沒(méi)有脈沖輸出。 這種工作方式的主要問(wèn)題有：（1）載流子慢恢復(fù)時(shí)間限制了MZI /MI 開(kāi)關(guān)的工作速度，造成再生信號(hào)脈沖展寬，限制了其級(jí)聯(lián)能力；（2）SOA 的增益壓縮效應(yīng)導(dǎo)致MZI

49、 的兩臂不平衡，降低了干涉儀的消光比。 SOA-MZI 的差分工作方式（如下圖）采用雙信號(hào)控制方案，可以使器件工作速度不受載流子恢復(fù)時(shí)間的限制。把輸入光信號(hào)等功率地耦合到干涉儀兩臂中的SOA，一臂的信號(hào)在時(shí)間上相對(duì)另一臂延遲。當(dāng)一個(gè)脈沖進(jìn)入到干涉儀的一臂時(shí)，引起的探測(cè)信號(hào)相位的變化使探測(cè)脈沖從輸出端口出射。在時(shí)間后注入到另一臂的相同脈沖產(chǎn)生相同的相移，MZI 的相差被復(fù)位，輸出端口關(guān)閉?？梢钥闯鲚敵雒}沖的寬度完全由信號(hào)脈沖間的時(shí)延決定，與載流子恢復(fù)時(shí)間無(wú)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度可望達(dá)到約1pS。 EAM 具有低壓驅(qū)動(dòng)、偏振不敏感、尺寸小易集成等優(yōu)點(diǎn)。EAM 的。EAM 光再生器基于交叉飽和吸收效應(yīng)工作，結(jié)

50、構(gòu)如下圖。當(dāng)探測(cè)脈沖和信號(hào)脈沖同時(shí)注入時(shí)，EAM 對(duì)探測(cè)脈沖的吸收隨輸入信號(hào)的強(qiáng)弱而變化，當(dāng)輸入信號(hào)脈沖為邏輯“1”時(shí)，EAM 對(duì)探測(cè)信號(hào)沒(méi)有吸收，此時(shí)探測(cè)脈沖透過(guò)EAM；當(dāng)輸入信號(hào)為邏輯“0”時(shí)，EAM 對(duì)探測(cè)脈沖強(qiáng)烈吸收，EAM 的輸出為“0”，故輸出脈沖序列再現(xiàn)了輸入信號(hào)的信息。EAM 的交叉飽和吸收效應(yīng)與輸入信號(hào)功率及反向偏壓的大小有關(guān)，通過(guò)優(yōu)化信號(hào)的輸入功率及工作偏壓，可以獲得良好的再生信號(hào)。理論上EAM 與偏振無(wú)關(guān)，輸入信號(hào)的相位畸變與頻率啁啾都不會(huì)轉(zhuǎn)移到探測(cè)信號(hào)中去。3 基于非線性飽和效應(yīng)的光判決門 為了實(shí)現(xiàn)全光高速再生，NTT 研制了一種半導(dǎo)體MOW結(jié)構(gòu)的InGaAsP/InP

51、 低溫生長(zhǎng)光開(kāi)關(guān)（LOTOS）。與EAM 類似，LOTOS 利用了MOW 的非線性飽和吸收特性，有超快的載流子恢復(fù)時(shí)間，并可控制在幾百飛秒到幾十皮秒之間；由于DBR 反射鏡的利用，LOTOS 具有較高的消光比；工作波長(zhǎng)范圍較寬（30nm）；開(kāi)關(guān)能量在1pJ 左右，比NOLM 所需的能量低，溫度穩(wěn)定性好。LOTOS 判決門的定時(shí)抖動(dòng)容限為20ps。但LOTOS 具有偏振相關(guān)性，開(kāi)關(guān)特性與輸入信號(hào)脈沖的偏振態(tài)有關(guān)。全光3R 再生對(duì)于克服各種物理因素對(duì)信號(hào)帶來(lái)的損傷，拓展信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)木嚯x以及網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模是非常必要的。理論和試驗(yàn)均已證實(shí)NOLM具有良好的光信號(hào)再生能力。雖然光纖有飛秒級(jí)快速非線性響

52、應(yīng)，但其最高速率不由非線性響應(yīng)決定，信號(hào)與時(shí)鐘間的走離限制著NOLM 的開(kāi)關(guān)特性。但NOLM 可以工作在較高的速率，雖然NOLM 有很大的應(yīng)用前景，但由于其有尺寸大、不易集成與偏振敏感等缺點(diǎn)，限制了NOLM 的實(shí)用化進(jìn)程。小結(jié) 與NOLM 相比，SOA-MZI /MI 尺寸較小，更重要的是SOA 可以和MZI或MI 集成在一起，具有很好的實(shí)用化前景。但SOA的載流子動(dòng)態(tài)特性一方面限制了SOA-MZI /MI 的工作速度，另一方面還導(dǎo)致干涉儀輸出對(duì)數(shù)據(jù)格式的依賴性。采用差分工作可以使其工作速度與SOA的載流子慢恢復(fù)特性無(wú)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度可望達(dá)到約1ps。EAM 和LOTOS 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成的

53、優(yōu)點(diǎn)，也具有很好的實(shí)用化前景。另外EAM 的偏振無(wú)關(guān)性對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用非常重要，但目前看來(lái)EAM 工作速度還不能很高，可望在40Gbit / s 或更高的系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。LOTOS 可以工作在更高的速率上（幾百飛秒至幾十皮秒），且具有良好的溫度穩(wěn)定性能，將在全光網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。光信號(hào)經(jīng)過(guò) 2R 的放大和整形處理可避免噪聲和波形失真積累。但是，抖動(dòng)積累無(wú)法解決。在全光 3R 再生中需要時(shí)鐘提取功能，再生出的時(shí)鐘信號(hào)不僅起時(shí)鐘定位的作用，輸出脈沖的形狀也主要是由時(shí)鐘的形狀決定的。因此，時(shí)鐘提取也是再整形的關(guān)鍵部分。四全光時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù) 光時(shí)鐘提取是 3R 再生系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：位時(shí)鐘

54、提取、幀時(shí)鐘提取和 OTDM 光網(wǎng)絡(luò)中的包時(shí)鐘和包頭位時(shí)鐘提取。時(shí)鐘提取技術(shù)不但是全光 3R再生技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，也是 OTDM 通信系統(tǒng)、同步傳輸系統(tǒng)以及全光交換技術(shù)的核心技術(shù)。目前時(shí)鐘提取技術(shù)主要有以下幾種方案：1利用外腔鎖模激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)2利用光纖環(huán)鎖模激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)3利用自脈動(dòng)激光二極管鎖模技術(shù)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)4 利用DBR激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)5利用DFB激光器自脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)6基于受激布里淵散射的時(shí)鐘恢復(fù)7基于光鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復(fù)8基于磁光光纖光柵濾波器的全光時(shí)鐘恢復(fù)鎖模技術(shù)是時(shí)鐘提取最常用的技術(shù)之一。鎖模技術(shù)是將多縱模輸出的激光束，經(jīng)過(guò)特殊的調(diào)制，使數(shù)個(gè)縱模之間具有確定的位相關(guān)系

55、，相互疊加后形成窄脈沖輸出。時(shí)鐘提取采用注入鎖模技術(shù)，即利用注入的光信號(hào)對(duì)激光器形成調(diào)制，產(chǎn)生鎖模光脈沖輸出。 基于半導(dǎo)體鎖模激光器MLL（Mode-Locked Laser）的時(shí)鐘提取方案主要是利用半導(dǎo)體鎖模激光器內(nèi)部的飽和吸收區(qū)和增益區(qū)的相互作用，輸入的光信號(hào)通過(guò)飽和吸收區(qū)對(duì)腔內(nèi)的光進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)激光器的腔基頻與復(fù)用的高速數(shù)據(jù)信號(hào)的速率相配時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘提取。1利用外腔鎖模激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù) 主要過(guò)程是在飽和吸收區(qū)和高增益區(qū)組成的鎖模激光器中，飽和吸收區(qū)和增益區(qū)相互作用，引起激光器無(wú)阻尼的振蕩，產(chǎn)生自脈動(dòng)光脈沖。脈沖頻率可以通過(guò)改變?cè)鲆鎱^(qū)的工作電流而改變。當(dāng)把和脈沖頻率相同的信號(hào)光脈沖注

56、入鎖模激光器時(shí)， 產(chǎn)生的光脈沖將和信號(hào)光同步，并且不依賴于信號(hào)光的偏振態(tài)，因此可以利用這一性質(zhì)， 來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘提取。1利用外腔鎖模激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù) 在產(chǎn)生自脈動(dòng)光脈沖的基礎(chǔ)上，可以用外加光柵反饋的方法對(duì)自脈動(dòng)的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。制作出可調(diào)諧的鎖模激光器，并用它進(jìn)行了時(shí)鐘恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，如下圖。激光器為1550nm F-P 激光器， 其中一個(gè)端面鍍有增透膜并通過(guò)自聚焦透鏡（GRIN）耦合到光柵，另一面用高能離子轟擊形成飽和區(qū)。旋轉(zhuǎn)光柵可以選擇工作波長(zhǎng)。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是：工作波長(zhǎng)可調(diào)范圍寬、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、集成度高、工作速率高、時(shí)間抖動(dòng)小。但目前的問(wèn)題在于：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；腔長(zhǎng)須精確控制，對(duì)穩(wěn)定性要求較高目前還沒(méi)有成熟

57、的商用品。2利用鎖模光纖環(huán)形腔激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)（1）非線性器件是半導(dǎo)體光放大器（2）非線性器件是色散位移光纖 鎖模光纖環(huán)形腔激光器是一種用途廣泛的激光器，根據(jù)增益介質(zhì)的不同，可以將光纖環(huán)形腔激光器大致分為基于SOA的光纖環(huán)形腔鎖模激光器和基于色散位移光纖的光纖環(huán)形腔鎖模激光器兩類。主要是利用半導(dǎo)體光放大器的交叉增益調(diào)制( XGM) 和交叉相位調(diào)制( XPM) 特性， 將高比特?cái)?shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)光環(huán)形器直接注入半導(dǎo)體放大器中，調(diào)制光纖環(huán)形激光器腔內(nèi)的損耗或相位，在腔長(zhǎng)匹配的條件下， 形成鎖模，輸出與信號(hào)光同步的時(shí)鐘信號(hào)，得到高重復(fù)速率、波長(zhǎng)可調(diào)諧的時(shí)鐘脈沖輸出。（1）非線性器件是半導(dǎo)體光放大器實(shí)驗(yàn)裝

58、置如下圖 所示。當(dāng)波長(zhǎng)為0 的40 Gb/ s偽隨機(jī)碼信號(hào)通過(guò)光環(huán)行器注入到半導(dǎo)體光放大器中時(shí)，消耗半導(dǎo)體光放大器的載流子， 從而對(duì)半導(dǎo)體光放大器的增益產(chǎn)生周期性調(diào)制， 并影響半導(dǎo)體光放大器的折射率，使得環(huán)內(nèi)波長(zhǎng)1 的光每次通過(guò)半導(dǎo)體光放大器時(shí)， 振幅和相位都被調(diào)制。調(diào)節(jié)腔內(nèi)光延時(shí)線的長(zhǎng)度， 使環(huán)形腔的基頻為注入信號(hào)速率的整數(shù)分之一， 便可形成諧波鎖模，通過(guò)10：90 的耦合器引出，得到重復(fù)頻率為40 GHz、波長(zhǎng)為1 的光時(shí)鐘信號(hào)。光纖鎖模激光器的時(shí)鐘提取方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采用的器件全部是商用器件，系統(tǒng)的構(gòu)建比較容易；輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧；具有較高速率的工作潛力。 目前，使用這種技術(shù)已獲得了

59、 40Gbps的時(shí)鐘提取。理論上講，這項(xiàng)技術(shù)可以工作在 100Gbps以上的系統(tǒng)中，但是，對(duì)于一般的商用SOA，想要達(dá)到較高的速率，還是比較困難。同時(shí)，在鎖模光纖激光器中，除了正常的鎖?，F(xiàn)象外，也存在亞諧波鎖模的現(xiàn)象，可用于幀時(shí)鐘提取。但方案也有明顯的缺點(diǎn)：由于長(zhǎng)環(huán)腔結(jié)構(gòu)所限，時(shí)鐘的建立時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)穩(wěn)定性也比較差；體積大、不易集成；由于利用了SOA的載流子恢復(fù)時(shí)間的限制，還需要考慮到輸入連續(xù)長(zhǎng)連“0”或“1”碼時(shí)的處理能力，即碼型效應(yīng)問(wèn)題。有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)速率為 30Gbps，在調(diào)制度小于 10%時(shí)，可允許輸入 36個(gè)連“0”碼。色散位移光纖( DSF) 的作用相當(dāng)于一個(gè)光纖相位調(diào)制

60、器，可調(diào)諧光濾波器的作用是分離入射信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為環(huán)內(nèi)鎖定的時(shí)鐘信號(hào)的波長(zhǎng)， 摻鉺光纖放大器在光纖環(huán)內(nèi)作為增益介質(zhì)，起到放大時(shí)鐘信號(hào)的作用，延時(shí)線用來(lái)改變光纖環(huán)長(zhǎng)L 以滿足下列鎖模條件:2利用光纖環(huán)鎖模激光器進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)（2）非線性器件是色散位移光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘提取的基本原理可理解為相位鎖模激光器產(chǎn)生超短光脈沖的基本原理， 色散位移光纖相當(dāng)于相位調(diào)制器， 入射數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)色散位移光纖中的交叉相位調(diào)制效應(yīng)周期地調(diào)制環(huán)內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)的相位， 當(dāng)光纖環(huán)長(zhǎng)與入射數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率滿足上述諧振關(guān)系，構(gòu)成主動(dòng)鎖模的基本條件后， 將輸出周期性的時(shí)鐘信號(hào)( 連續(xù)的超短光脈沖) 。時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)頻率與入射數(shù)