第二章 原理
2.5 增益箝制
2.5.1 增益箝制(Gain-Clamping)
摻鉺光纖放大器跟其他光放大器比較起來，由於有著較高的增 益，以及不受串音(crosstalk)及光偏振態的影響，使其在 1.5μ長途光 纖通訊中扮演非常重要的角色。但是當其實際應用在光通訊系統中，
隨著訊號開關，光纖中的飽和效應會使訊號的增益會受到影響而會有 緩慢且造成辨識困難的擾動出現。在早期，使用電光回饋的增益箝制 技術已經可以將訊號受到總訊號功率有變化時的增益變動減低許 多，藉由的是調變泵激的工率來達到輸出功率不變，儘管這種方法可 以藉由設計良好的回饋機制來達到很好的增益穩定度，但整個架構就 要多了一個光電轉換器(photo detector)以及驅動泵激的電路，不斷改 變泵激操作電流對其也會减短其壽命。
2.5.2 增益箝制原理與應用
除此之外，從外部注入光源，如 DFB 或 FP 雷射來當成飽和光源，
也被提出可以有效減少因總功率發生變化時對單一波長增益的擾 動，使用的是藉由一較強的光原來鎖定原來會隨訊號大小而變化不一
的粒子反轉數，如此輸出與輸入訊號大約會是正比於放大距離而與輸
上式右方指數中，並沒有與pkout或
p
ink有關的項，所以只與β值有關。所以，只要不是在飽和訊號的頻率，其增益大約就可以維持在一個定 值。值得一提的是，增益箝制的條件必須要有明顯的迴路雷射產生時 才會明顯，如此 2.29 式中的β才能保持固定；反過來說，當輸入訊號 大到某一極值使得迴路雷射不明顯時，增益箝制的功能也將不再存 在。
目前比較常見的增益箝制的應用，大致上可以分成使用慮波迴 路，或是單程增益箝制。在慮波迴路方面，主要是加入一慮波機制在 ASE 迴路中，如光濾波器，或光分波器，而迴路類型則有額外導接成 環形或者是利用鏡面來達成。下圖 2.14[21]中是一利用分波器的雷射 迴路:
圖 2.14 使用反向迴路雷射之增益箝制架構
此架構利用放大器的反向 ASE 來當做迴路的光源，比較特別的是，在 架構中並沒出現最常被使用的光濾波器，取而代之的是使用一 C/L 頻 段的分波器達達到相同的功能。如上圖所示，架構允許屬於 C 頻段的 反向 ASE 在架構迴路中作傳輸，且會在 C 埠的截止頻率約 1566nm 的 地方產生迴路雷射，因此可以拿來當增益箝制所需要的飽和訊號，且 架構中另一項優點是，在所用來形成回路雷射的 C 頻段 ASE 並不會進
入 L 埠(輸出端)，而造成躁聲指數的上升;而缺點是，使用分波器會 限制主訊號與 ASE 在迴路光與輸出光的比例，如此就比較缺乏彈性，
不能藉由改變其比例來微調最佳回授值。
而下圖 2.15[26]則是另外一個可以應用來當做增益箝制的架構:
圖 2.15 使用雙鏡面形成迴路雷射之增益箝制架構
其方法是應用在放大器兩端加入反射鏡面，使摻耳光先放大器的正反 向 ASE 在裡頭作來回放大，路徑中加入一光濾波器使波長為
λ
0的訊號在架構中產生，以此當作增益箝制的飽和訊號(saturation tone)，兩 端的鏡面可以藉由調整其反射率來達到最佳箝制效果，其缺點是反覆 來回於系統中的 ASE 會使得整體的躁聲指數上升。
另外，還有使用光纖光柵將特定頻率的訊號打回以當成飽和訊 號，不經過多次放大而是與訊號一般只經過一次放大，如此的架構擁 有較低的躁聲指數表現，但其控制的困難點在於了沒有迴路的來回放 大飽和訊號，就必須從摻鉺光纖的長度來控制，較長的摻鉺光纖可以 提供較明顯的飽和雷射，但相對的也會影響到主訊號的放大(由 2.2.1 可知)，所以控制的困難度會高一些，因而比較不常被使用。
2.5.3 增益箝制躁聲指數表現
增益箝制的應用使得系統得以緩和因總信號功率的變動而發生 再單一通道的增益擾動，且不需要額外的光源或光電回授電路來補 償，對整個放大系統來說顯得更便捷且經濟。然而，要在系統中用一 飽和信號來做增益箝制，就不能避免使用到相同的增益媒介，而造成 在增益值的減少或主訊號躁聲指數的上升。主訊號功率的減少很難避 免，因為迴路中總會分掉一部分的信號去形成迴路雷射，迴路雷射也 會影響摻鉺光纖中激發態與基態粒子的分布，進而減低訊號增益增加 躁聲指數，兩者是一體兩面的描述。
一般來說，使用正反雙向的 ASE 來形成迴路雷射作增益箝制的架 構有著較大的訊號躁聲指數表現。其次是使用單向的 ASE 的架構，又 在單向 ASE 形成的迴路雷射中，與主訊號同向傳輸的箝制架構又會比 反向傳輸的有著較低的躁聲指數，原因是因為與主訊號反向傳輸的飽 和訊號會在主訊號進入摻鉺光纖的那端有著較大的功率值，等同於造 成低粒子反轉數，對主訊號而言，一開始進入摻鉺光纖的增益就變小 必定造成輸出躁聲指數的提升，跟反向泵激的原理類似。躁聲指數最 佳的情形應該是利用單向的 ASE 迴路雷射，且能在輸出端將飽和訊號 率掉，如此不會與主訊號相互影響，更能提升躁聲指數表現。