增益箝制在摻鉺光波導放大器的應用

隨著光傳送網不斷向邊緣網領域延伸，各類新的低成本光器件將 不斷湧現並將在這些領域發揮重要的作用。網路營運商需要一種能在 城域網和接入網特定節點上按需給出特定增益量的放大器，這種放大 器必須做到價格低廉、維護成本最少、充分利用現有的光纖，並能隨 著城域網的發展而擴容。2001 年出現的商用化摻鉺波導光放大器 (EDWA)就是其中一種，是適合於城域網應用的新型集成光器件產 品，其優勢在於它的緊湊性、可靠性、靈活性和較低的製造成本。相 對於 EDFA，EDWA 在尺寸、增益和成本上都有所下降，這樣 EDWA 就可以根據需要在網路的多個地點安裝。由於結構緊湊、尺寸小巧，

很適合於有限空間內的靈活應用，相對於半導體光放大器，EDWA 具 有低雜訊指數、很小的增益偏振相關性以及不存在通道間的串擾等一 些固有優勢。

EDWA 是由嵌入摻鉺玻璃基片上的波導組成的，選用合適的波導

材料，只需使用數釐米長高濃度的摻鉺增益介質，就可以得到常規摻 鉺光纖幾十倍的單位長度光增益。由於單純增加鉺離子濃度會降低鉺 離子的轉換效率，因此，在製造過程中必須要精確地微調並保持平衡 才能製造出所需增益的光波導放大器。研究表明，每釐米獲得 2 到 3dB 的增益是較好的平衡點，根據不同的波導材料，一般採用 5 到 10 釐米長的摻鉺波導，就可以獲得可靠、高效的 EDWA。其不僅可 以提供單波長而且可以提供多波長的光放大，並且可採用雙源雙向泵 浦的方式以提高各通道的增益；可在同一個基片上集成多個 EDWA，

形成陣列型的光放大器，大大縮小體積，並可方便地實現 DWDM 系

統中多波長增益的動態調節。

4.3.2 摻鉺光波導放大器增益箝制

同樣的，我們將用對 S 頻段與 C+L 頻段放大器作增益箝制相同 的方法，應用在摻鉺光波導放大器上。圖 4.4 為摻鉺光波導放大器的 增益箝制架構。因其模組裡包含了兩個前後端的阻波器，所以我們應 用與前面 S 頻段增益箝制相同的架構。其迴路原件包括兩個 1X2 的 光耦合器，一個固定其分光比例為 90:10(C1)，另外一個則是選用 90:10，80:20，70:30，50:50，的分光器(C2)，且使用可調雷射來測試 其效能。圖 4.5 為輸入訊號為 0，-15 與-35dBm 時摻鉺光波導放大器 的增益與躁聲指數表現。圖 4.4 中的可調帶通光濾波器(TBF)有著很 寬的可調範圍，在此架構中，我們將使用其來濾出三種不同的波長的 光來當飽和光源，並觀察不同的效能表現。下圖 4.5 為摻鉺光波導放 大器在尚未做增益箝制時的增益與躁聲指數頻譜。

其增益與躁聲指數的表現都預 C 頻段摻鉺光纖放大器類似，擁 有高的小訊號增益與優優良的躁聲指數表現。下頁圖 4.6 為選用光耦 合器 C2 的比例為 70:30 產生迴路雷射後在輸出端所量得的放大器自 發性輻射，從圖中可以觀察當光濾波器調再 1530nm 時，迴路雷射的 效果並不明顯，而當濾波在 1540nm 與 1550nm 時，迴路雷射的現象 則比較明顯，但 1530nm 與 1550nm 除了濾波器所產生的光頻段外，

其他波段的放大器自發輻射與沒有接增益箝制迴路時沒有太大的差 別。

基於 2.5 小節中的原理，我們選擇以 1540nm 與 1550nm 的迴路 雷射作為此架構的飽和訊號，而非不明顯的 1530nm 訊號。圖 4.7(a)

與 4.7(b)分別為選用 1540nm 與 1550nm 當作飽和訊號時的不同回授 度增益箝制效果，測試訊號為 1548nm。我們可以從兩張圖中比較得 知，當使用 1540nm 當飽和雷射訊耗時，在 C2 的比例為 70:30 時及 可以看到其增益箝制效果，訊號在-40dBm 到-10dBm 左右，其增益值 幾乎維持一定值在 11.5dB 左右。而選用 1550nm 當飽和雷射的架構，

則看不出來有因此架構的加入導致增益平坦的延伸。因此，在增益箝 制的條件上除了要能清楚看到迴路雷射產生的之外，還要能使原本的 放大器自發性輻射的輪廓有所改變才行，圖 4.6 中我們可以觀察到，

雖然使用 1550nm 的飽和雷射當架構可以在輸出端明顯的看到其訊 號，但是放大自自發輻射卻沒有因此而改變，根據 2.5 小節中的原理，

如此並不能改變(固定)反轉粒子的分布，增益箝制的效果就無法呈 現。

圖 4.8 為當 C2 比例為 70:30 時，濾波器選在 1540nm 所做得增益 箝制，由其增益頻譜圖中可以看出在-15dBm~0dBm 之間的輸入，增 益的變動小於 3dB ;比較圖 4.8 的結果，在同樣條件下，其增益擾動 卻高達 10dB。與之前的 S 頻段與 C+L 頻段放大器的增益箝制作比 較，摻鉺光波導放大器的增益箝制效果在還未特別接上箝制迴路時就 已經在-40dBm 到-20dBm 的訊號輸入時有著近乎定值的增益(在 1548nm 約 18dB)。原因為摻鉺光波導放大器的放大途徑遠很短(約 5cm)，受到飽和效應的影響相對的也會減小。

W2

EDF OIS

W₁: 980/1550 nm WDM Coupler W₂: 1480/1550 nm WDM Coupler C : Optical Coupler

OC : Optical Circulator

SOA : Semiconductor Optical Amplifier OIS : Optical Isolator

EDF : Erbium-Doped Fiber TBF : Tunable Bandpass Filter

SOA

Input Power (dBm)

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

Gain / Noise Figure (dB)

0

1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610

Gain / Noise Figure (dB)

0

Output

Input w _A

980nm Pump LD

EDWA Module

C1 C2 F

TBF

A : Waveguide Gain Medium W : 980/1550 nm WDM Coupler F : Pump Kill Filter

C1 : Optical Coupler 90:10 C2 : Optical Coupler 90:10~50:50 TBF : Tunable Band Pass Filter

圖 4.4 摻鉺光波導放大器增益箝制架構

Wavelength (nm)

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590

Gain (dB)

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Power Level (dBm)

Input Power (dBm)

-40 -30 -20 -10 0 10

Gain (dB)

0 5 10 15 20 25

Noise Figure (dB)

0 5 10 15 20 25 30 G: without feedback

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

NF: without feedback NF: 10/90

NF: 20/80 NF: 30/70

NF: 50/50

圖 4.7(b) 迴路雷射為 1550nm 時，由 1548nm 測試光所量得之增益箝制情形

Wavelength (nm)

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590

Gain (dB)

-5 0 5 10 15 20 25 30

Pin = 0 dBm Pin = -15 dBm Pin = -35 dBm

圖 4.8 迴路雷射選在 1540nm 且分光為 30:70 時的增益頻譜

第五章 結論與展望

本論文一開始的精神在於架構出一簡單，經濟的摻鉺光纖放大器 架構以配合頻寬漸長的光通訊系統。首先利用有著比較寬增益頻帶的 半導體光放大器與既有的 L 頻段摻鉺光纖放大技術(使用比 C 頻段長 的摻鉺光纖及較強的泵激)作結合，可以架構出一增益範圍從 1540nm 到 1600nm 的 C+L 頻段放大器，在小訊號上擁有超過 20dB 的增益，

大訊號上，也有著較平坦的 12dB 平均增益，也因為半導體光放大器 的加入，使得原本摻鉺光纖長度必須達到 92m 時才有的 L 頻段放大 效果縮短成用 44m 就可以達成同樣的效果。如此可以避免因熔接光 纖不良而使訊號在長摻鉺光纖行進中產生雷射，也可以降低泵激的能 量與組態，跟傳統上的架構比起來顯得彈性許多。再來將一級 980nm 泵激的 C 頻段摻鉺光纖放大器加在前級，用來將原本因半導體光放 大器造成的高躁聲指數(約 14dB)降低至 7dB，使其更能適用在實際的 系統裡，後級的摻鉺光纖也因此能再縮減至 34m。

再則是 S 頻段到 L 頻段的摻鉺光纖放大器的建立，以往來說，

利用混合型或平行架構所達到的寬頻摻鉺光纖放大器，其效能總是涵 括 C 與 L 頻段，對於一般單模光纖的最低損耗區 1450nm~1650nm 的 放大獨缺 S 頻段。我們使用平行的架構，架構將三種不同頻段的放大 器作整合，其中 C+L 頻段的放大器原則是使用前述的架構，形成一 涵括 S，C 與 L 頻段的摻鉺光纖寬頻放大器，其效能被證實在 1480nm 到 1600nm 之間有著高的小訊號增益及躁聲指數表現，在大訊號的增 益(約 10dB)頻譜平整度也頗為理想。實驗中特別的是，我們皆使用一 般的摻鉺光纖與最常使用的 980nm 與 1480nm 的泵激，並沒有使用到

其他特殊且少用原件，如此在系統的整合性與便利性得以大大提升。

接著，再提出增益箝制技術來使所架構出來的放大器更加完備。

在 C+L 頻段的放大架構裡，選用 10%的輸出光進入迴路時，輸入訊 號從-45dBm 到-25dBm 之間有著平坦且增益大於 15dB 的效能

(1540nm~1595nm)。其訊號的躁聲指數會隨著條件不同而有異，S 頻 段保持在 8dB 左右，而 C+L 頻段則在 5dB 左右，但大致上都在可用 的範圍之內，雖然最後我們使用的 C+L 頻段的放大器與之不同，並 沒有光半導體放大器的存在，但原本混合式 C+L 放大器的增益箝制 架構單純就只在摻鉺光纖放大器上(第三級)形成迴路，並沒有經由光 半導體放大器，且之後使用的 C+L 頻段放大結構有著比原來混合式 架構要長很多的後級摻鉺光纖，迴路雷射的形成應該更容易才是，因 此估計同樣的架構也可以應用在後來的 S+C+L 頻段的放大器上，形 成一個有著增益箝制效果的寬頻摻鉺光纖放大器。

最後，我們在增益箝制的應用裡引入了摻鉺光波導放大器，其擁 有著小的體積，與幾乎與摻鉺光纖一樣好的效能，高訊號增益與低的 躁聲指數。在其箝制實驗上，以 30%的輸出光進入迴路之後，整體的 系統在-40dBm 到-20dBm 的訊號輸入時，可以改善其增益擾動由原來 的 10dB 降至 3dB 左右，證明了增益上的擾動也可以藉此在摻鉺光波 導放大器中獲得控制，更加完備此放大器的功能。

隨著光通訊持續的方展與進步，光放大器的種類越來越多，且既 有的光放大器在效能及應用上也日趨完善，要如何將其應用在系統上 變成一個很重要的議題，單一種類的放大其可能沒有辦法符合所有的 需求，所以適時的配合不同種類的放大器來達到特定的效果或在單一

種類的放大器上作整合才是比較聰明的解決方案，以目前來說，拉曼 與摻鉺光纖放大器的種種組合已經被廣泛的研究，值得注意的是原來 的半導體光放大器在效能上有了長足的進展，實驗中提及摻鉺光波導 放大器也以黑馬的姿態迎頭趕上，很明顯的要如何繼續運用其獨特的 效能來整合原有的光放大器將會是個值得研究的議題。

參考文獻

[1] J. Kani, K. Hattori, M. Jinno, T. Kanamori, and K. Oguchi, “Triple wavelength band WDM transmission over cascaded dispersion-shifted- fiber,” in OAA’99, WC2, 1999.

[2] A. Mori, T. Sakamoto, K. Kobayashi, K. Shikano, K. Oikawa, K.

Hoshino, T. Kanamori, and M. Shimizu, “A 50m broadband tellurite- based EDFA with a 0.6dB gain excursion and a 25dB gain for 1.58-um band WDM signals,” in Proc. ECOC’99 vol.1, 1999, pp. 268-269.

[3] S. Aozasa, T. Sakamoto, T. Kanamori, K. Hoshino, and M. Shimizu,”

Gain-shifted thulium-doped fiber amplifiers employing novel high concentration doping technique,” Electron. Lett., vol. 36, pp. 418-419, 2000.

[4] M. Jinno, M. Fukui, T. Sakamoto, S. Aisawa, J. Kani, and K. Oguchi,

“WDM transmission technology for dispersion-shifted-fibers,” IEICE

“WDM transmission technology for dispersion-shifted-fibers,” IEICE