加入飽和吸收體濾波器

3.3.1 飽和吸收體濾波器

飽和吸收體濾波器（SAF）的架構如圖 3.11，主要由兩個環型器

（circulator，C）、光耦合器（OC，50：50）、兩個極化控制器（PC）

以及飽和吸收體（SA）組成。飽和吸收體的部分我們選擇使用 MORITEX 的 10m 摻鉺光纖，規格如表 3.6。

當光從 input 端進入時，透過光耦合器分成兩道光 a 和 b。a 光 經過極化控制器後會從第一個環型器（C1）的【1】端進入，到第一 環型器的【2】端出去，然後經過飽和吸收體，再從第二環型器（C2）

的【2】端進入，到第二環型器的【3】output 端出去。b 光經過極化 控制器後會從第二個環型器的【1】端進入，到第二環型器的【2】端 出去，然後經過飽和吸收體，再從第一環型器的【2】端進入，到第 一環型器的【3】端出去，爲了避免光纖端點接觸空氣產生 3dB 的反 射，所以在第一環型器的【3】端接上 match oil。

a、b 兩道光會在飽和吸收體中會相互干涉，產生感應光柵，對 a 光來說產生濾波的效果。調整兩個極化控制器來使的兩道光產生的駐 波干涉達到最大的效率。

圖 3.11 飽和吸收體濾波器

Length

（m）

Core diameter

（µm）

Absorption

@ 1534nm

（dB/m）

Mode field diameter

（µm）

Numerical aperture

10 3.7 9 6.3 0.25

表 3.6 Moritex EDF（Er 307）

3.3.2 加入飽和吸收體濾波器

現在我們將飽和吸收體濾波器加入圖 3.4 的雷射架構中，如圖 3.12。緩慢增加驅動電流使 980nm 激發光的激發功率上升，在増益介 質中產生 1550nm 的光信號。當光信號能量大於整個雷射腔的臨界值

（threshold value）時，則開始有雷射輸出；調整飽和吸收體濾波 器中的兩個極化控制器，使其達到雷射最大輸出功率（因為雷射腔中 有對極化敏感的光阻隔器）和 beating 信號最小（因為飽和吸收體濾 波器會壓縮邊模）。通常我們會先調整 PC1（圖 3.11）使得輸出功率 最大，a 光的極化方向固定，然後再調整 PC2 使 b 光的極化方向與 a 光相同，達到 beating 信號最小。

圖 3.13 為輸出的光頻譜訊號，量測到的雷射頻寬為 0.06nm，低 於儀器量測的極限，而中心波長為 1557.22nm。圖 3.14（a）-（f）

為不同輸出功率下，RF 頻譜儀量測的 beating 信號。表 3.7 為不同 輸出功率下，根據 beating 信號以及 DC 信號所得之 SMSR 值。

根據表 3.7，因為飽和吸收體濾波器的加入使得整個 SMSR 值上 升（>60dB），代表雷射腔內的邊模的確有被壓縮的現象，尤其在低輸 出功率的地方，SMSR 值可達到 80dB 以上；當逐漸提高輸出功率時，

由於雷射腔內能量逐漸上升，在增益介質中同時激發了邊模頻率，使 邊模能量上升，加上模態與模態間僅相差 10MHz，主模與邊模在飽和

吸收體中的吸收損耗相差不大，邊模壓縮的效果降低，所以 SMSR 值 逐漸減少，但是都還能維持在 50dB 以上。圖 3.15 為我們調整可調式 濾波器得到不同單模輸出頻率的頻譜圖，可調範圍為 1530-1570nm（為 可調式濾波器的調頻範圍）。圖 3.16 為不同輸出頻率所得之 SMSR 值。

圖 3.12 加入飽和吸收體濾波器

1556 1557 1558 1559 1560 1561 -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

amplitude(dBm)

wavelength(nm)

圖 3.13 光頻譜圖

0 20 40 60 80 100

Output power

（mW）

DC power

（dBm）

Beating power

（dBm）

SMSR

（dB）

0.5 10.27676 -65 78.27676 0.8 14.20914 -62.2 79.40914 1 16.11702 -63 82.11702 1.5 19.63074 -52.8 75.43074 2 22.13762 -41.5 66.63762 2.5 24.08796 -33.7 60.78796

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

40 45 50 55 60 65 70 75 80

SMSR

output power

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

-80 -60 -40 -20

wavelength(nm)

amplitude(dBm)

圖 3.15 可調頻率範圍

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570 60

65 70 75 80 85 90

SMSR

wavelength(nm)

3.3.3 加入飽和吸收體濾波器和次環腔濾波器

爲了使得主模與邊模的吸收損耗差異增加，在圖 3.12 雷射架構 中嘗試加入圖 3.7 的次環腔濾波器，如圖 3.17，使模態與模態間的 頻率間距增加，邊模壓縮的效果會更顯著。

圖 3.18 為輸出的光頻譜訊號，量測到的雷射頻寬為 0.06nm，中 心波長為 1555.35nm。圖 3.19（a）-（f）為不同輸出功率下，RF 頻 譜儀量測的 beating 信號。表 3.8 為不同輸出功率下，根據 beating 信號以及 DC 信號所得之 SMSR 值。

根據表 3.8，因為加入次環腔濾波器使模態與模態間的頻率差增 加，邊模能量被壓縮的更多，SMSR 值平均都可以達到 90dB 以上，而 且當增加輸出功率時，SMSR 值也都能維持一定水準，這代表此雷射 架構達到更好的單模輸出水準。但由於在次環腔濾波器中，雷射光的 偶合對於光極化方向非常敏感，使得輸出頻譜會有明顯模態跳躍的不 穩定現象產生。

圖 3.17 加入飽和吸收體濾波器和次環腔濾波器

1554.0 1554.5 1555.0 1555.5 1556.0

-80 -60 -40 -20 0

amplitude(dBm)

wavelength(nm)

0 200 400 600 800 1000

Output power

（mW）

DC power

（dBm）

Beating power

（dBm）

SMSR

（dB）

0.5 10.27676 -86 99.27676 0.8 14.20914 -84.56 101.7691 1 16.11702 -82.49 101.607 1.5 19.63074 -81.55 104.1807

2 22.13762 -78.74 103.8776 2.5 24.08796 -76.18 103.268

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

80 85 90 95 100 105 110

SMSR

output power

3.4 雷射線寬量測--延遲自動內差法

（Delayed Self-homodyne method）

實驗架構如圖 3.20，包含兩個光耦合器（OC）、極化控制器（PC）

和 15km 的單模光纖。將雷射光接到 input 端，再把 output 端接到光 偵測器，經放大器（AMP）放大訊號後，接到 RF 頻譜儀觀察結果；調 整極化控制器使兩道光耦合效率達到最好。根據 2.3 節的實驗原理，

此量測架構的極限為 13kHz。

圖 3.20 延遲自動內差法

圖 3.21 為圖 3.12 的雷射架構（只加上飽和吸收體濾波器），低 輸出功率時的量測數據，因為低頻的雜訊很多，所以我們將圖形作 smoothing；RF 頻譜儀的解析頻寬（resolution bandwidth）為 1kHz，

此時雷射輸出線寬大約為 25kHz。圖 3.22 為圖 3.15 的雷射架構（飽 和吸收體濾波器和次環腔濾波器）所量測的數據，此時雷射輸出線寬

3.23 為 Agilent 8164A 半導體雷射模組，規格如表 3.8，輸出 1.25mW 時的量測數據，此時雷射輸出線寬大約為 250kHz。

Laser type Wavelength range

Numerical aperture

Max power

Fabry-Perot laser

InGaAsP 1496nm-1640nm 0.1 163mW

表 3.9 Agilent 8164A 半導體雷射模組

0 5 10 15 20 25 30 0.0000

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010

intensity(arbitrary unit)

frequency(kHz)

0 5 10 15 20 0.0000

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

intensity(arbitrary units)

frequency(kHz)

圖 3.22 雷射輸出線寬（2）

0 50 100 150 200 250 300

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010

intensity(arbitrary units)

frequency(kHz)

圖 3.23 雷射輸出線寬（3）

比較上面三份數據，可以知道我們的實驗架構所產生的單模雷射 線寬遠低於半導體雷射線寬。一般來說，半導體雷射的雷射腔長非常 短（~1µm），FSR 非常大（~1THz），使得它非常容易達到單模輸出（濾 波器頻寬小於 FSR 即可）。根據（2.22）式，可以知道輸出線寬可表 示為

( )

R FSR Linewidth = − R •

π 1

由上式可知，FSR 大，相對於雷射線寬也會變大，所以半導體雷射的 線寬會遠大於我們的雷射輸出線寬。