三級C+L頻段放大器架構與實驗結果

第二章原理

3.1 混合式C+L頻段光纖放大器

3.1.3 三級C+L頻段放大器架構與實驗結果

為了改善在 3.1.2 中所提出雙級 C+L 頻段放大器躁聲指數過高的 問題，我們再提出一個新的架構如下圖 3.4，此架構為包含三級的混合式光放大器，第一級是由 10m 長的摻鉺光纖配合操作在 60mW 的 980nm 泵激雷射組合而成的光放大器，而第二級則是操作在 250mA 的半導體光放大器，第三級則是使用 34m 長的摻鉺光纖配合操作在 100mW 的 1480nm 泵激組合而成的光放大器。而圖 3.5 為此三級架構中的第一級與第三級在輸入訊號為 Pin=0dBm 與-30dBm 時的個別增益頻譜，在圖中可以看出，第三級的增益頻譜圖在輸入為 0dBm 時，

大於 10dB 的增益區為 1524nm~1574nm。此架構中，第一級 10m 長放大器的功用在降低整體的躁聲指數，且另外一方面可以加速飽和 C 頻段的增益，有益於 L 頻段放大的延伸。圖 3.6 為此三級放大器在輸入訊號為 Pin=0dBm 與-30dBm 時的個別增益頻譜與躁聲指數的圖形。在圖 3.6 中同時也插入了此三級混合式放大自發輻射頻譜(ASE)。

結果顯示，在輸入訊號為-30dBm 時，在 1562nm 處可以達到增益為 41.5dB 且躁聲指數為 3.7dB 的表現。與圖 3.1 中的架構比較，這個新的三級架構可以大幅的降低之前表現不好的躁聲指數(比較圖 3.2(b) 與圖 3.6)，且第三級的摻鉺光纖長度還得再減少。圖 3.6 中亦顯示，

在輸入訊號為 0dBm 時，增益達到 10dB 以上的範圍為 1540nm~1600nm，與之前的雙級架構大致相似。

3.2 S 到 L 頻段平行架構光纖放大器

3.2.1 簡述

一般架構在短摻鉺光纖的放大器(C 頻段放大器)解決了 1530nm 到 1560nm 傳輸光訊號放大的問題。而利用較長的摻鉺光纖構成的放大器，拉曼放大器，以及混合式的放大器(如拉曼與摻鉺光纖放大器的混合或光半導體放大器與摻鉺光纖放大器混合)可以提供 1560nm 到 1610nm 之間的光訊號放大(L 頻段)。近來，利用變化蕊心與包層間的折射率來當做訊號抑制結構且使用 980nm 泵激的放大器架構，

已經被證實可以拿來當作 1450nm 到 1530nm 之間訊號光源的放大器 [30]。因此，如果可以應用這個新的 S 頻段放大機制，我們便可以將之與原來已經架構在一般摻鉺光纖上的 C 與 L 頻段放大技術作一整合，使其成為一 S 到 L 頻段的平行結構寬頻放大器。在這個小節，

我們將介紹一個新的 S 到 L 頻段的摻鉺光纖放大器模組，頻寬可達 120nm(1480nm~1600nm)，其架構為使用分波段放大的平行架構 (coupled structure)。

3.2.2 實驗架構

下圖 3.7 為平行架構的摻鉺光纖放大器模組。其架構為使用兩個 1480/1550nm 的波長分波耦合器，一個 S 頻段摻鉺光纖放大器，與一個 C 加 L 頻段的雙級摻鉺光纖放大器的平行結構所組成。從圖 3.7 中可以看出，兩個波長分波耦合器是用來結合兩個不同放大訴求的平行架構放大器，如圖所示埠 1，2，3 分別為 1480nm~1600nm 與

1480nm~1520nm 與 1520nm~1600nm 所可以傳輸的路線。在圖示上方的 S 頻段摻鉺光纖放大器所使用的摻鉺光纖為特殊結構的包層，對摻鉺光纖裡的長波長訊號造成衰減，慢慢將增益移至 S 頻段。此架構的

第一級使用的摻鉺光纖為 20m 長，藉由與訊號同向的 980nm 泵激可以提供低的躁聲指數表現，而第二級的光纖使用長度為 30m 長且與反向的 980nm 泵激結合使用，有助於提高訊號的增益。除此之外，

在兩級架構中加入了一個阻波器(isolator)，可以阻止第二級反向放大自發輻射(ASE)對第一級的影響，因此對躁聲指數的改進也有助益。

所使用的泵激強度最高可操作在 356mA，相當於有 280mW 的功率輸出，如此一個不同於傳統 C 頻段的放大器就可以建立，原先於 1530nm 有著增益最大值的頻譜，在結構變化後產生了一個對 C 與 L 頻段的截止波長，使得粒子反轉可以用在本來吸收大於放射的 S 頻段，造成 S 頻段訊號的放大。

而圖 3.7 下方的 C 加 L 頻段放大器模組是由兩個摻鉺光纖放大器，一個 1X2(50:50)的光耦合器(C)，以及一個 C/L(1564/1570nm)的波長分波器(其附加損耗<0.43dB)。圖中 C/L 分波器(BS)a，b，c 埠分別為訊號 1500nm~1600nm，1570nm~1610nm，1500nm~1564nm 的適用通道。第一級摻鉺光纖放大器使用的摻鉺光纖長度為 12m 長，

980nm 泵激強度操作在 65mW 輸出，而第二級的摻鉺光纖放大器使用 88m 長的摻鉺光纖，其 1480nm 泵激光源操作在 95mW 輸出。如同一般設計，第一級光纖放大器除了提供當增益媒介外，對於躁聲指數的改善也扮演著重要的角色，第二級主要是將放大的最佳長度移至 L 頻段，比較特別的設計是利用 C/L 頻段分波器(BS)的加入，可以在輸出端在將 C 頻段的訊號再次加回，而非只有 L 頻段的放大，此與分別使用兩個平行結構的 C 加 L 頻段放大器簡潔許多。

3.2.3 實驗結果與討論

要研究此平行架構放大器在頻域增益與躁聲指數上的表現，我們

分級個別使用輸入訊號為 Pin=0dBm，-15dBm，-30dBm 的訊號當測試光源。圖 3.8 即為 S 頻段放大模組的在上述條件所測試得的躁聲指數與增益頻譜圖(1480~1520nm)，圖中插入的圖為放大自發性輻射 (ASE)於 1480nm~1520nm。我們可以從圖 3.8 中看出，輸入為小訊號時(-30dBm)，在波長為 1506nm 處其增益與躁聲指數分別達到 34.1 與 5dB。另外，也可以從輸入為 0dBm(大訊號)時的圖形觀察，其增益大於 10dB 的頻域，大致是從 1480nm 到 1520nm。

圖 3.9 為在圖 2.7 中下方的 C 到 L 頻段放大器從 1520nm 到 1600nm 的增益與躁聲指數頻譜。大致上來說，此組放大器的頻寬大約是 80nm(1520nm~1600nm)，其增益的峰值在 1532nm 與 1568nm 處分別為 35.4 與 38.1dB，躁聲指數則為 3.3 與 2.7dB。特別要注意的是，

在其增益與躁聲指數頻譜圖中的 1564nm 處，因為剛好是 C/L 分波器的頻率分界點，所以會造成增益的下降與躁聲指數的增加。

圖 3.10(a)與 3.10(b)分別為架構圖 3.7 的增益與躁聲指數的最終表現(適用測試頻率為 Pin=0dBm，-15dBm，-30dBm)，在圖 3.10(a)的插入圖是此平行架構所形成的 120nm 寬的放大自發輻射(1480nm

~1600nm)。另外，在圖 3.10(b)中的插入圖為在圖 3.7 架構中所標示的埠 2 與 3 對頻率所測試的附加損失，圖中顯示的交界處為 1522nm。

由圖 3.10(a)中可以看出，其放大頻域由 1480~1600nm 總共為 120nm，

小訊號輸(-30dBm)入的增益峰值在 1504nm，1532nm，1568nm 處分別為 32.8dB，34.7dB 與 38.1dB，由於架構中使用的波長分波器有其附加損失，所以其小訊號的最大增一直會略小於個別量測到的值。如同之前所說的，在 1522nm 附近也因處於所使用分波器的分界處，也會有著跟在 1564nm 處附近相同的增益變低，且躁聲指數提高的現

象。整體而言，此放大器包括了兩個模組，S 與 C+L 摻鉺光纖放大器，

其效能在 1480nm 到 1600nm 之間有著 120nm 的放大頻寬。另一方面，

在 1480nm 到 1606nm 之間也有著大於-40dBm 的放大自發性輻射 (ASE)的輸出，可以提供當成一超寬光源。

3.3 總結

在此章中，我們先介紹一個新的 C+L 頻段的混合式放大器，成功的將半導體光放大器跟摻鉺光纖放大器作一結合，其在 1540nm 到 1600 之間已經被證實有著良好的放大效果與可接受的躁聲指數。再來我們介紹使用摻鉺特殊結構光纖構成的 S 頻段放大器，其效能在 1480nm 到 1520nm 之間有著平均大於 23dB 的增益(小訊號時)。最後，

我們在實驗上結合了此三個頻段的放大器於一平行架構中，實驗數據證明，此架構在 1480nm 到 1600nm 之間有著良好的放大效能(頻寬 120nm)，小訊號輸(-30dBm)入的增益峰值在 1504nm，1532nm，1568nm 處分別為 32.8dB，34.7dB 與 38.1dB，大訊號輸入(0dBm)的增益值則較為平坦許多。此外，此寬頻放大器的自發性輻射尚可當作一寬頻光源使用(1480nm~1600nm)。

E D F O IS

W : 1480/1550 n m W D M C ou pler S O A : S emiconductor O ptical A m plifier O IS : O ptical Isolator

E D F : E rbiu m -D oped F iber

Input SO A O utput

1480 nm P u m p L D

圖 3.1 混合式 C 加 L 頻段放大器架構

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

SOA: Pin = 0 dBm SOA: Pin = -30 dBm EDF(44m): Pin = 0 dBm EDF(44m): Pin = -30 dBm

圖 3.2(a) C+L 頻段雙級架構之第一與第二級放大器個別的增益頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure ( d B)

0 10 20 30 40 50

G: Pin = 0 dBm G: Pin = -30 dBm NF: Pin = 0 dBm NF: Pin = -30 dBm ASE Spectrum

Wavelength (nm)

1520 1560 1600 1640

Power Level (dBm)

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5

圖 3.2(b) 雙級放大器串連的增益與躁聲指數頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

G

W1 : 980/1550 nm WDM Coupler W2 : 1480/1550 nm WDM Coupler SOA : Semiconductor Optical Amplifier OIS : Optical Isolator

EDF : Erbium-Doped Fiber

Input SOA Output

1480 nm

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

EDF(10m): Pin = 0 dBm EDF(10m): Pin = -30 dBm EDF(34m): Pin = 0 dBm EDF(34m): Pin = -30 dBm

圖 3.5 三級 C+L 架構第一與第三級放大器個別的增益頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

50

G: Pin = 0 dBm

G: Pin = -30 dBm NF: Pin = 0 dBm NF: Pin = -30 dBm ASE Spectrum

Wavelength (nm)

1520 1560 1600 1640

Power Level (dBm)

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5

圖 3.6 改良式 C+L 頻段放大器增益與躁聲指數的表現

980-nm Pump Laser

C- plus L-Bands EDFA Module

1 2 2 W2 1

1470 1490 1510 1530

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (d B)

S- To L-Bands ASE

Wavelength (nm) 1450 1490 1530 1570 1610

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1460 1480 1500 1520 1 540 1560 1580 1600 1620 0

5 10 15 20 25 30 35 40

Pin = 0 dBm Pin = -15 dBm Pin = -30 dBm

Wavelength (nm) 1470 1500 1530 1560 1590

Insertion Loss (dB)

-2 2 6 10 14

Port 2 Port 3

Noise Figure (dB)

圖 3.10(b) 當輸入訊號為 0，-15 與-30dBm 時寬頻放大器的躁聲指數表現

第四章

增益箝制的技術於光纖放大器上的探討

4.1 簡述

在波長區分多工系統裡，訊號的增益的增益穩定度表現相當的重要，因此增益箝制的存在變的相當的重要。如 2.5 章節中敘述，迴路光增益箝制是目前使用中最經濟且簡單的架構，使用各式不同的光濾波器及光纖光柵來造成雷射迴路的產生則是架構的精神所在。在同質分布(homogeneously broadened)的介質材料，如摻鉺光纖放大器中，

雷射的產生可以固定光纖裡總合的粒子反轉數，因此各波長的只和其吸收與輻射的橫截面積有關，而不會是輸入訊號強的函數。在此章節裡，我們將以增益箝制技術應用在先前提出的放大器結構上，證明除了增益大小與躁聲指數堪用之外，也有著增益穩定的效果。最後，我們也將其技術運用在摻鉺光波導放大器(EDWA)上，更證明此技術的廣泛適用性。

4.2 混合式 C+L 頻段放大器增益箝制

在上一章節中所提出的平行 S+C+L 的寬頻摻鉺光纖放大器中，S 頻段的增益箝制已經被驗證有其效果[10]。而圖 4.1 則為在 3.1 小節中提出來的混合式 C+L 頻段放大器的增益箝制架構，架構中使用的迴路雷射的形成方向與傳輸訊號相反，如同 2.5 小節中提到的，此種架構會使得迴路雷射在訊號入口處有著最大的強度，如此減低了訊號在光纖前端的放大率，躁聲指數也相對提高。針對此問題，我們特別在輸出端使用一旋波器(OC)，讓迴路雷射光源不在輸出出現，如此可以降低躁聲指數，量測時也可以不用避開迴路雷射波長而造成訊號使用的不連續。上圖迴路中的可調帶通光濾波器(TBF)調整在 1560nm

來產生飽和訊號作增益箝制用。圖 4.2 為選用圖 4.1 中的光耦合器(C) 耦光比例分別為 95:5，90:10，70:30，50:50 時所量測到增益與躁聲指數對輸入光訊號的頻譜圖，圖中增益箝制的效果在光耦合器比例選擇

在文檔中不同頻段的摻鉺光纖放大器之研究 (頁 39-0)

第二章 原理

3.1 混合式C+L頻段光纖放大器

3.1.3 三級C+L頻段放大器架構與實驗結果

3.2 S 到 L 頻段平行架構光纖放大器

3.3 總結

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure ( d B)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

G

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

50

Gain (dB)

Wavelength (nm)

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (d B)

Wavelength (nm)

1460 1480 1500 1520 1 540 1560 1580 1600 1620 0

5 10 15 20 25 30 35 40

Noise Figure (dB)

第四章

增益箝制的技術於光纖放大器上的探討

4.1 簡述

4.2 混合式 C+L 頻段放大器增益箝制

第二章原理