增益箝制(Gain-clamped)

在WDM系統裡，除了光放大頻域要寬之外，增益箝制的議題也相當的 重要。由於摻鉺光纖在本質上有著較長的粒子激發態轉變到基態時間，所 以隨著總通道數的增加或減少(總功率變化)，單一波長的增益也會有敏感的 變動而這對訊號傳送錯誤率(bit error rate)會有一定程度的影響。近10年來摻 鉺光纖放大器中常用來做增益箝制的方法大概可以分成三類：1. 利用光電 回授在光泵激源上做補償。2. 額外加入一補償光信號。3. 使用光迴路做增 益的補償。在此我們主要探討第 3 種箝制的機制，當有部分的 ASE 從光 放大器輸出，經過濾波選出一個特定的波長後再從新注入到放大器中（圖 2.5），如此形成一個迴路型雷射的架構，產生雷射的條件取決於選定的波 長及回授 ASE 功率的大小，與輸入訊號光的功率大小無關 [17]。

圖2.5 順向迴路雷射之增益箝制架構

一般而言，輸入與輸出光功率大小可以寫成以下關係 放大器的長度。令 f 為在眾多訊號中所濾出來作為 saturation tone，我們將 其輸出與輸入的關係表達成下式: P_f^out =βP_fⁱⁿ， 1 β 為光在迴路中的衰減，

第三章

S 頻段掺鉺光纖放大器的增益箝制

3.1 前言

寬頻的掺鉺光纖放大器可以有效的增加在 1.5 mµ 不論是在傳輸或是 形成一個網路架構分波多工（WDM）的數目 [19]。現今，可由理論 [20] 或 是實驗上 [21] 達到寬頻的掺鉺光纖放大器（120 nm），另一方面，在一個 動態的分波多工的網路內，多路傳輸上通道的增減或是在光域上傳播大量 的資訊，對於掺鉺光纖放大器緩慢響應造成瞬時的功率是個要設法解決的 問題。這種暫態的效應可以藉由電路上，光學上或是這兩種的合併的控制 法來壓制，在這多種的方法之中，光學上的增益箝制技術是最常使用的。

然而已經有許多的實驗 [22]-[25] 被提出應用在 C + L 頻段的掺鉺光纖放 大器，不過在這些實驗架構之中 [22]、[23] 無可避免由 C 頻段和 L 頻段 間引起的干擾（crosstalk）現象；而平行的架構 [25] 可以有效的減少干擾 現象，但是卻會提高其噪聲指數 [26]。近來，有關 S 頻段的掺鉺光纖放大 器（1460—1520 nm）以被探討及提出 [27]，因此，使用 S 段的光放大器 將可以將增益箝制的技術延伸到 S 頻段。接下來我們將利用不同的光纖光 柵作為反射鏡形成的光回授機制達到 S 頻段增益箝制的光放大器。

3.2 實驗架構

在均質變寬（homogeneously broadening）的介質之中，在單一波長產 生的雷射決定總粒子數反轉，因此對於不同波長下的增益將與各自的吸收 和輻射截面積（absorption and emission cross sections）有關，而任何輸入的 訊號光功率的改變來可藉著調整輸出雷射光的功率來補償，所以各個波長 的信號光經過放大器時將會獲得固定的增益，與像是由通道（channel）數 目的增減所引起的輸入光功率變化無關。基於這個原則，我們可以提出一 個利用正向光回授機制來達到 S 頻段增益箝制的實驗架構（圖 3.1）。架構 中包含一個 S 頻段的掺鉺光纖放大器，一個光迴旋器（OC），一個 1 2× 不 同比例的光耦合器（C）含一條布拉格光纖光柵（FBG），光耦合器對輸入 訊號光的耦合比例有：90 , 80 , 60 和 50％。布拉格光纖光柵是作為一個反 射鏡，為了雷射出一個 saturation tone 注入到 S 頻段的掺鉺光纖放大器之 中。在這次的實驗中，我們使用 4 條不同中心波長和不同反射率的 FBGs 來獲得不同注入的能量。

在放大器內，第一級與第二級掺鉺光纖有不同的特徵。在第一級的光 纖長度有 20 公尺藉著正向的泵浦可以提供低噪聲指數與適中的增益；第一 級的光纖長度有 30 公尺藉著反向的泵浦可以產生很大的輸出功率。此外，

在兩者之間的光隔絕器（optical isolator）可以減少由於第二級放大器的反 向泵浦產生的自發性輻射，改善噪聲指數的表現。整個放大器模組的泵激

光源功率可高達 280 mW，而提供雷射的電流勢操作在 356 mA。為了更加 了解 S 頻段掺餌光纖放大器的行為和表現，可以使用一個可調製的雷射光 源（tunable light source : TLS）來量測其頻譜上的增益與噪聲指數，而量測 的光譜分析儀（optical spectrum analyzer : OSA）使用的解析度為 0.05 nm。

3.3 結果與討論

我們將利用可調製的雷射光，當輸入的光功率 分別為 0， -20 與 -40dBm 測量波長在 1478 到 1520 nm 的範圍下 S 頻段掺鉺光纖放大器 的增益與噪聲指數（圖 3.2）。對於輸入功率為 -20dBm 中心波長 1504 nm 的光，放大器的增益與噪聲指數分別為 27.4 dB 與 5.8 dB，在 1498 nm 功 率為 0dBm 的飽和輸出功率為 14.3dBm。在中心波長為 1478 到 1512 nm，輸入的訊號光為 -20dBm，其噪聲指數將介於 5.3 和 7.5 dB 之間。當 波長在 1510 nm 輸入光功率分別為 0， -20 與 -40dBm 時，我們可以觀察 到的增益分別為 12.5 ， 26.2 與 35.2 dB；噪聲指數分別為 9.5， 6.9 與 6.6 dB。

Pin

為了達到 S 頻段的掺鉺光纖放大器的增益箝制，FBG 在此實驗中的目 的是為了雷射出一個 saturation tone。而 4 條 FBGs 個別的中心波長分別 為：（a）1511.39 nm，（b）1513.42 nm，（c）1515.69 nm，（d）1517.37 nm

（圖 3.3），反射率分別為：（a）91.83％，（b）93.11％，（c）95.54％，（d）

82.98％。而利用不同耦合比例的光耦合器可以調整正向回授的雷射功率大

小。

我們將可以得到在輸入波長為 1506 nm 時增益與噪聲指數對輸入光的 功率的關係在改變光耦合器的比例（圖 3.4），（a）為中心波長 1511.39 nm，

（b）為 1513.42 nm（c）為 1515.69 nm（d）為 1517.37 nm。比較一下結 果，圖 3.4（a）可看出不論是用多少比例的光耦合器得到的都是的很糟的 增益與噪聲指數，所以我們可以說若是使用較短波長的 saturation tone 會 導致較低的增益與高的噪聲指數。圖 3.4 (b)顯示出當輸入光的功率小於 -10dBm 時，輸出訊號得到的增益將會是一個定值，其值大約是 16.1 dB，

而噪聲指數的分布範圍約在 8.3 dB 到 8.8 dB 之間。當 saturation tone 為 1515.69 nm，光耦合器的耦合比例為 90％ 和 80％ 時，當輸入光的功率小 於 -10dBm 時，增益大約維持在 19 到 21 dB 之間，噪聲指數比原來的約 提昇 2.1 dB（圖 3.4（c））。當使用 50％ 的光耦合器，輸入光訊號小於 -12dBm 時，均可獲得固定的增益值 19dB，使用的 FBG 為 1517.37 nm（圖 3.4（d））。然而其噪聲指數也比原來的操作條件下升高 2.5 dB。造成噪聲 指數提高的原因，是因為置於輸入端和輸出端的被動元件有較高的損耗，

且掺鉺光纖和分波多工耦合器之間的熔接點也是造成損耗，提高噪聲指數 的原因。比較圖 3.4（a）到圖 3.4（d）可以發現出圖 3.4（d）顯現出較好 的增益箝制現象，所以就實驗的結果可以發現，波長較長的 saturation tone 在使用不同光耦合比例的光耦合器下可以減少的箝制現象。

根據圖 3.4 的結果，我們挑選波長為 1517.37 nm 的 saturation tone，光 耦合器的比例為 80％，分別測量輸入光功率 為 0， -15 及 -40dBm 時，在 1478 nm － 1520 nm 範圍內的增益和噪聲指數（圖 3.5）。此時，

可 發 現 最 大 的 增 益 為 24.7 dB ， 在 波 長 為 1502 nm ， 輸 入 的 功 率 為 -40dBm。在輸入功率為 -15dBm 與 -40dBm，測量的增益與噪聲指數，其 圖形非常的相似，其增益的變化量小於 0.6dBm。所以可以說當輸入光功率 在 -15dBm 與 -40dBm 之間，均可以達到很好的增益箝制效果。

Pin

3.4 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

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