結論

在本章中我們提出一個利用布拉格光纖光柵當作反射鏡來雷射出一個 saturation tone，利用正光回授的機制來達到增益箝制的現象。使用不同的 FBGs 及不同耦合比例的光耦合器來展現出不同的增益拑制效果。經由實驗 的結果，我們可知，較長波長的 saturation tone，在不同的耦合比例下將會 有不錯的箝制效果，且不至於使增益減小太多。

C

W: 980/1550 nm WDM Coupler OC: Optical Circulator

LD: Laser Diode

FBG: Fiber Bragg Grating EDF: Erbium-Doped Fiber

S-Band EDFA

Wavelength (nm)

1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

Gain / N o is e Figu re ( d B)

0 10 20 30 40

G: Pin = -40 dBm G: Pin = -20 dBm G: Pin = 0 dBm NF: Pin = -40 dBm NF: Pin = -20 dBm NF: Pin = 0 dBm

圖 3.2: 輸入光功率分別為 0, -20, -40dBm，在 1478 nm － 1520 nm S 頻段 EDFA 的增 益與噪聲指數

(a) FBG: 1511.39 nm

Wavelength (nm)

1510.0 1510.5 1511.0 1511.5 1512.0 1512.5 1513.0

Power (dBm)

(b) FBG: 1513.42 nm

Wavelength (nm)

1512.0 1512.5 1513.0 1513.5 1514.0 1514.5 1515.0

Power (dBm)

(c) FBG: 1515.69 nm

Wavelength (nm)

1514.0 1514.5 1515.0 1515.5 1516.0 1516.5 1517.0

Power (dBm)

(d) FBG: 1517.37 nm

Wavelength (nm)

1515.5 1516.0 1516.5 1517.0 1517.5 1518.0 1518.5

Power (dBm)

Input Signal: 1506 nm Saturated Tone: 1511.39 nm

Input Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

G: Original G: 90/10 G: 80/20 G: 70/30 G: 50/50 NF: Original NF: 90/10 NF: 80/20 NF: 70/30 NF: 50/50

圖 3.4(a): 當 saturation tone 為 1511.39 nm 時使用不同耦合比例的光耦合器 S 頻段 EDFA 的增益與噪聲指數

Input Signal: 1506 nm Saturated Tone: 1513.42 nm

Input Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

Gain / Noise Figure ( d B)

0 10 20 30 40

G: Original G: 90/10 G: 80/20 G: 70/30 G: 50/50 NF: Original NF: 90/10 NF: 80/20 NF: 70/30 NF: 50/50

圖 3.4(b): 當 saturation tone 為 1513.42 nm 時使用不同耦合比例的光耦合器 S 頻段 EDFA 的增益與噪聲指數

Input Signal: 1506 nm Saturated Tone: 1515.69 nm

Input Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

G: Original G: 90/10 G: 80/20 G: 70/30 G: 50/50 NF: Original NF: 90/10 NF: 80/20 NF: 70/30 NF: 50/50

圖 3.4(c): 當 saturation tone 為 1515.69 nm 時使用不同耦合比例的光耦合器 S 頻段 EDFA 的增益與噪聲指數

Input Signal: 1506 nm Saturated Tone: 1517.37 nm

Input Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

G: Original G: 90/10 G: 80/20 G: 70/30 G: 50/50 NF: Original NF: 90/10 NF: 80/20 NF: 70/30 NF: 50/50

圖 3.4(d): 當 saturation tone 為 1517.37 nm 時使用不同耦合比例的光耦合器 S 頻段 EDFA 的增益與噪聲指數

Saturated Tone: 1517.37 nm C: 80/20

Wavelength (nm)

1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30

G: Pin = -40 dBm G: Pin = -15 dBm G: Pin = 0 dBm NF: Pin = -40 dBm NF: Pin = -15 dBm NF: Pin = 0 dBm

圖 3.5: 輸入功率分別為 0 , -15 和 -40dBm，saturation tone 為 1517.37 nm，光耦合器得 比例為 80% 時，在 1478 到 1520 nm 間的增益與噪聲指數

第四章

可調且穩定的 S 頻段迴路型雷射

4.1 前言

在 分 波 多 工 通 訊 系 統 及 光 纖 感 測 系 統 中 ， 更 加 需 要 單 模

（single-longitudinal-mode：SLM）操作下的雷射光源。而在這方面也探討 了許多相關的技術，譬如使用多迴路的共振腔或是由一個主要的共振腔與 多個光耦合器結合的迴路(dual-coupler fiber ring：DCFR)確保只有單模的震 盪 [28] [29]，或是串連兩個不同自由頻譜寬度（free spectral range：FSR）

法布里－珀羅濾波器（fiber Fabry-Perot tunable filter：FFP-TF）來達到單模 的震盪 [30]，或是使用尚未泵激的掺鉺光纖當作為一個窄頻的濾波器 [31]。近來，S 頻段的迴路型雷射，操作的中心波長在 1480 至 1520 nm 以 被提出 [32]，然而，這個迴路型雷射的架構並未保證為單模輸出。

接下來我們在此提出一個可以提供穩定的輸出及單一模態的 S 頻段 迴路型雷射，架構中我們主要是利用一個基於飽和吸收體的自動追跡濾波 器（saturable-absorber-based antotracking filter），這濾波器包含一段未激發 的掺鉺光纖（EDF）和光纖反射鏡（OR）。

4.2 實驗架構

實驗架構如圖 4.1 所示，是由一個 S 頻段的掺鉺光纖放大器，一個 1 2×

50 : 50 的光耦合器，一個 FFP-TF，一個光極化調整器，一段未加泵激的 EDF 以及一個反射鏡。其中 S 頻段的掺鉺光纖放大器包含前級與後級放 大器，掺鉺光纖的長度分別為 20 m 及 30 m。若是以波長 1500 nm，功率 為 -25dBm 的光輸入，將得到 32 dB 的增益而噪聲指數為 5.7 dB。

當我們使用一個 FFP-TF 和一個基於飽和吸收體的自動追跡濾波器可 實現單模的雷射輸出，其中 FFP-TF 可以決定迴路型雷射的輸出波長，其 FSR 為 45 nm ， finesse 為 110。當我們在 FFP-TF 兩端的壓電材料

（piezoelectric transducer：PZT）加上不同電壓時，可改變濾波器內的共振 腔長度改選擇我們想要輸出的雷射波長。基於飽和吸收體的自動追跡濾波 器包含一段尚未泵激 1 m 的 EDF，和一個光纖反射鏡。其中尚未泵激的 EDF 是作為飽和吸收體在 1531 nm 有最大的吸收率 6.3 dB/m。光纖反射 鏡擁有將近 100％ 的反射率，可以將光反射在度反射到 EDF 之內，使的 反射光與傳播光在 EDF 之內干涉。由於干涉的結果，在 EDF 之內發生 spatial hole burning（SHB）的效應，因而使 EDF 形成一個窄頻的布拉格光 柵濾波器。在本次的實驗架構中，我們將利用兩個濾波器：FFP-TP 及窄頻 的布拉格光柵濾波器，將它們置於迴路的共振腔內，來達到光模雷射出輸 的目的。

此外，我們將 OSA 的解析度設定在 0.05nm 來量雷射輸出的功率及輸 出的波長。由於 OSA 的解析度太低，無法用來確認輸出的模態，以至於

須使用 homodyne 量測法來達到測量所需的解析度。在測量的的光路上包 括一個 3 dB 頻寬為 12 GHz 的光偵測器和一個由 25 km 和一個光極化調 整器組成的 Mach-Zehnder 干涉儀，雷射的線寬可由 RF 頻譜儀來測得。

4.3 實驗結果及討論

由圖 4.2 可看出雷射輸出波長為 1480.6 到 1522.9 nm 以及 S 頻段掺 鉺光纖放大器的 ASE。在波長介於 1480.6 到 1522.9 nm 之間，雷射的輸 出功率都在 -9.5dBm 以上，SMSR 都在 26.1 dB 以上。每個波長的輸出功 率及 SMSR 由圖 4.3 看出，由圖中我們可看出在 1497.7 nm 時有最大的輸 出功率為 10.9dBm，而越靠近兩側，其輸出的功率越來越小；在 1522.9 nm 時有最小的輸出 -9.5dBm。當在 1488.7 到 1505.7nm 之間，輸出的雷射功 率都在 10dBm 以上，而 SMSR 都在 49.1 dB 以上。很顯然這圖像的分佈與 放大器本身的 ASE 分布並不相同，原因是在迴路內還有一段未泵激的 EDF 使得整個迴路的增益曲線與原來不同，此增益曲線決定於放大器的增 益頻譜與 EDF 的吸收頻譜。若是我們適當的調變泵激光源的功率，則可以 得到較平坦化的輸出及 SMSR。

為了能證明輸出為單模的雷射，就必須藉助 Homodyne 量測法來測量 雷射的線寬。我們比較未加 1 m EDF 飽和吸收體與加上之後的差異，此時 波長為 1498.8 nm （圖 4.4）。當未加 1 m 的 EDF 時，在 RF 頻譜上是非 常的不穩定的，發現每隔約 3.3 MHz 的間距會出現一個縱模；若是加了

EDF 之後可以發現其 RF 頻譜是非常乾淨的，沒有其他的雜訊出現，此時 可證為雷射達到單模的輸出。

接下來我們做了有關雷射輸出功率與波長穩定度的實驗（圖 4.5）。實 驗中我們觀察的對象是為 1498.8 nm，觀察的時間為 900 秒。由量測的結 果可知其波長的變化約在 0.01 nm 之間；輸出功率約在上下 0.02 dB 間震 盪，然而其斜度效率（slope efficiency）僅為 1.12％。若是進行 4 小時的 觀察，我們發現其輸出波長及功率依然變化不大。

4.4 結論

在此我們提出了一個可確保輸出為單模的迴路型雷射。主要是在迴路 共振腔內放置兩個不同的濾波器，一個 FFP-TP 和一個由 1 m EDF 與反射 鏡組成的布拉格光柵濾波器，前者可用來調整輸出的波長，後者可視為一 個窄頻的濾波器，用來確保為單模輸出。而雷射輸出的範圍落在 1480.6 到 1522.9 nm 之間，且輸出的波長變化率約在 0.01 nm，輸出功率的變化率在 0.02 dB 之內。其穩定的輸出有利於將來在 S 頻段的應用。

FFP-TF

980 nm Pump LD

W

EDF EDF

W

Isolator

C

S-Band EDFA Module

C : 1 × 2 and 3 dB Optical Coupler W : 980/1550 WDM Coupler PC : Polarization Controller OR : Optical Reflector EDF : Erbium-Doped Fiber

FFP-TF : Fiber Fabry-Perot Tunable Filter

“Output”

C PC

OR Unpumped EDF

圖 4.1: 單模輸出 S 頻段迴路型雷射實驗架構

Wavelength (nm)

1480 1490 1500 1510 1520

Output Pow er (dB m )

-60 -40 -20 0 20

S-Band ASE

Wavelength (nm)

1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10

圖 4.2: 單模雷射的輸出波長，範圍在 1480.6 －1522.9 nm。圖上方為 S 頻段 EDFA 的 ASE

Unpumped EDF: 1-m long

Wavelength (nm)

1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

Output Power (dBm)

-15 -10 -5 0 5 10 15

Si de -M ode Suppr es si on Rati o (dB)

15 25 35 45 55 65

Output Power SMSR

圖 4.3: 單模 S 頻段迴路型雷射的輸出功率及 SMSR

Frequency (MHz)

0 20 40 60 80 100

-100 -80 -60 -40 -20 0 -100 -80 -60 -40 -20 0

Rela tive Intensity Noise (dB/Hz)

Conventional

Proposed

圖 4.4: 傳統的迴路型雷射與加上未泵激的 EDF 利用 homodyne 量測法測得在 RF 上 的頻譜變化

Time (sec.)

0 200 400 600 800 1000

Output Pow er (dB m )

8 9 10 11 12

Centr a l Wavelength (nm)

1498.6 1498.7 1498.8 1498.9 1499.0

Output Power Wavelength

圖 4.5: 雷射輸出波長與輸出功率對時間的變化

第五章

Ｓ 頻段的光纖感測與多點感測

利用 FBGs 作為感測器 [33] 常可用來做非常廣泛的應用，尤其是溫度 與拉力的測試。尤其常常用來埋在先進的複合材料中或是其他結構中作為 準分佈（quasi-distributed），多點和拉力的量測。近來研究的領域包括製造 的技術 [34]，波長偏移解調技術 [35] [36]，多路傳輸近似（multiplexing approach）[37]，基於 FBGs 的雷射感測概念[38]-[40]。

5.1 利用 S 頻段迴路型雷射的架構進行感測

由於 S 頻段的光放大器的技術已趨成熟，因此我們將偵測的範圍向下 延伸到 S 頻段，藉著利用 S 頻段的光放大模組。與傳統使用寬頻光源的 感測系統相比，使用迴路型雷射架構的系統的光學訊號可以更大，改對系 統的噪訊比可以明顯的提升。

在這小節中，我們提出一個基於 S 頻段的迴路型雷射架構的 FBGs 感 測系統，系統中的數個布拉格光纖光柵感測器主要是作為一個回授的裝 置。藉著調整共振腔內的濾波器可以使得在 FBGs 感測器的波長產生雷 射。若是感測器受到外力時，由產生雷射的波長會有偏移量，藉此來回推 外力的大小。

5.1.1 實驗架構

實驗的架構是由一個 S 頻段的光放大模組，一個 FFP-TP，一個 2 2×

的光耦合器和 4 條不同中心波長的 FBGs（圖 5.1）。FBG

50 : 50 ₁ 到 FBG₄

各個的中心波長為：1511.39 nm，1513.42 nm，1515.69 nm及 1517.37 nm；

個別的反射率為：91.8％，93.1％，95.9％及 82.9％。FFP-TF為一個全頻段 的元件，其可調的波長範圍非常的廣，FSR 為 45 nm。當在其外部的 PZT 施加適當的偏壓時可使得 FFP-TP在迴路型共振腔內提供輸出想選擇的波 長。此外系統中由於 S 頻段掺鉺光纖內使用兩個光隔絕器（isolator），可 確保光為單向行進。系統中 4 條串接在一起的 FBGs 除了作為感測器外，

同時在整個雷射架構中也作為反射的介質，由於系統包含了一個 FFP-TL，

作為一個帶通濾波器（pass-band filter）可以使得輸出的雷射波長與 FBGs 的波長一致。

5.1.2 結果與討論

當我們連續的調整加在 FFT-TP 的電壓，在光譜分析儀上可以分別看 到 4 個的波長輸出（圖 5.2）。當然其輸出的波長即為 FBGs 的波長。由圖 中可以看出輸出的功率並非相同，在長波長的地方輸出的功率較小，這是 因為輸出的功率決定於每條 FBGs 反射率以及放大器的增益頻譜。若是波 長落在兩個感測點之間，會因為無法將放大器的 ASE 在度反射回共振腔內 以至於在輸出僅可看到 ASE 的部份，沒有雷射的現象。S 頻段光放大器模

組的 ASE 落在 1478 至 1526 nm 之間，輸出的總功率大於 -40dBm（圖 5.3）。若是在 FFP-TP 和光放大器之間的光路上再加上一個光耦合器，則會 觀察到由 FBGs 反射回來的頻譜，與圖 5.1 相比會發現少了放大器的 ASE 部分，當然由於少了一次放大的結果，輸出的功率也會較小。

當在FBG 的兩端施力時，FBG的中心波長會往長波長的地方移動。這 個性質即可以被利用來做應力的量測。在本實驗中，若是施力使 FBG 的 波長位移時，我們將可以適當的調整加在 FFP-TF 的偏壓，使觀察到的訊 號得到最佳化，因此可以來追跡 FBGs 波長的位移量。若是施加不同的拉

當在FBG 的兩端施力時，FBG的中心波長會往長波長的地方移動。這 個性質即可以被利用來做應力的量測。在本實驗中，若是施力使 FBG 的 波長位移時，我們將可以適當的調整加在 FFP-TF 的偏壓，使觀察到的訊 號得到最佳化，因此可以來追跡 FBGs 波長的位移量。若是施加不同的拉

在文檔中 光纖放大器於光纖感測及光纖迴路雷射之應用 (頁 37-0)