子計畫三

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（ （一 一 一 一） ） ）研究方法 ） 研究方法 研究方法 研究方法： ： ： ：

1. 本計畫採用之研究方法與原因本計畫採用之研究方法與原因本計畫採用之研究方法與原因本計畫採用之研究方法與原因

在寬頻發展的趨勢需求下，未來 PON 傳輸技術將逐漸與波分多工技術(Wavelength Division Multiplexing：WDM)結合以形成WDM PON，利用WDM可以快速地提昇網路的 頻寬且可以因應各種不同網路服務的需求，即無論被動光網路是以ATM、IP或是Ethernet 為基礎皆可以應用，WDM PON除了可以提供多個光通道來提昇網路傳輸的頻寬，而每個 ONU可以使用獨立的傳輸通道，因此其安全性設計將較傳統的PON或是EPON高，但是 目前WDM相關元件仍然當昂貴，尤其是可調式的光源、光濾波器、光傳送/接收器、光電

轉換器（Transponder）等。所以本計畫乃是已研究特性佳，且具價格競爭性之元件及模組。

(1) 第一年第一年第一年第一年：：：：

採用布拉格光纖光柵製作可調光濾波器，是使用單模光纖，利用高能量的 UV雷射光 (Excimer Laser)並配合相位光罩(Phase Mask)製作而成，主要的設備有248nm KrF準分子雷 射、光學對準及聚焦系統(Optical alignment & focus system)、相位光罩，在製作的過程中搭 配寬頻譜光源(Broad band light source)、光耦合器(Optical coupler)或光循環器(Optical

circulator)來監測光纖光柵的品質，如圖3-1所示，當光纖受到高能量雷射光照射部分，其

內部分子的鍵結的狀態改變而使折射率變大，若配合光罩在光纖上造成距離為週期性的折 射率改變，而週期性寬度若為某個波長的整數倍，則該波長的光源便會因此而產生反射，

而其他波長的光源卻會因影響較小而通過，自製波長可調光纖光柵[38]，曾應用於光纖大

震盪原理，將短波長能量轉換給長波長，最大轉換小率是當頻移之13 THz時。拉曼光纖放 大器的架構，主要可分為：前向泵激、後向泵激和雙向泵激三種方式，利用這三種方式都 可以達到放大效果，但產生的特性也都各有不同。使用泵激雷射（or幫浦光）來做前向、

後向、雙向泵激有效拉曼增益，可得結果為：有效拉曼增益最大為前向泵激但有極化相關 增益之問題。增益最小是後向泵激但是本架構PON不能採用之，原因是泵激光源會出現在

Splitter 端。配合 DCF，它的有效拉曼增益遠大於單模光纖（SMF）及非零色散平移光纖

（NZDSF），原因在於DCF纖核直徑比SMF及NZDSF還要小，有效拉曼截面積越小，光 纖中幫浦光與訊號光互相作用的受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）效應會 越明顯，因而使拉曼增益提高，故使用 DCF 可有效地提高拉曼增益 [17]。因此對拉曼光 纖放大器而言，DCF是相當重要且不可或缺的元件，因為其同時具有色散補償、改善BER， 以及提高拉曼增益等作用。除了拉曼光纖放大器外，我們也可考慮用摻鉺光纖放大器

（Erbium-doped fiber amplifier，EDFA），其不但有很高的增益，且幫浦光使用效率頗高、

成本較低，其三階能階示意圖如圖3-3所示，包括自發吸收（spontaneous absorption），自 發放射（spontaneous emission）與誘發放射（stimulated emission）三種機制，並須達到居 量反轉（population inversion）條件始可放大光信號。使用1480nm 幫浦光由前端打入，因

1480nm pump在光纖中的衰減也很低故採用之。我們將摻鉺光纖分段放在OLT-RN之間的

光纖中，因1480 nm 幫浦光在光纖中的損耗很低，故在分段的摻鉺光纖中，前段使用後殘 餘的幫浦光功率可通過傳輸的光纖到達下一段摻鉺光纖，來做增益的補償放大，雖然平坦 度可能沒有拉曼放大器佳，但依然不失為一可考慮的可行放大器 [55-56]。

圗3-2．拉曼放大器能階變化示意圖

圖3-3 鉺離子三階能階示意圖

(3) 第三年第三年第三年第三年：：：：

WDM-PONs檢測系統預計利用光時域反射儀(OTDR) 或多波道量測儀，光結合了光纖

光柵，但首先須對光纖光柵做溫度補償，當操作環境的溫度發生變化時將導致光纖光柵反 射光的布拉格波長也發生變化，由於光纖材料具有正的熱膨脹係數(Thermal expansion

coefficient)，當溫度上升時，使布拉格波長往長波長的方向漂移。利用碳纖維複合材料，

以不同的疊層方式，製作出具有類似負的熱膨脹係數之結構，並將光纖光柵貼覆在碳纖維 材料上，讓碳纖維材料的熱膨脹係數和光纖光柵的熱膨脹係數相互抵消，達到補償的作用 [20]。被動光纖網路即時監控，申請人擬先評估架構如圖3-4（只繪單向，雙向傳輸設計架 構並未繪出）。監控原理為 OTDR 內部雷射光源產生短脈衝光送出後，經兩級分波多工 WDM 耦合器，將OTDR送出的短脈衝光(1310nm) 耦合入傳輸光纖中，接著由1x4 光分 歧器將OTDR光信號能量分成4等份，分別送往4個目的地，接收端再將短脈波反射光送

回OTDR 接收端。本計畫我們可利用簡單的LED當光源降低成本，由子計畫二提供，並

輔以自製之光纖光柵來作更精確與多元之檢測。光纖在傳輸中經常會受到外力的影響，如 溫度、應力、甚至受外力而彎曲受損(Bandy)或斷裂，造成光訊號的損耗(Loss)增加或中斷，

當光纖網路中間發生斷點或彎曲，將可由設計之架構在OTDR端接收，得到光訊號就的及 時監測到[40]。

圖3-4 單向被動光纖網路檢測/監控流程圖

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（ （二 二 二 二） ） ）研究成果 ） 研究成果 研究成果 研究成果： ： ： ：

以下介紹第三年幾個較具代表性之研究 1 波長可調光纖雷射之研製波長可調光纖雷射之研製波長可調光纖雷射之研製波長可調光纖雷射之研製

光纖雷射對於光纖元件有很多的優點，舉例來說，低雜訊，高輸出功率和兼容性。針 對光纖雷射近年來有很大的需求，並且有廣大的應用。有許多方法皆可得到可調光纖雷射，

如可調波長光纖雙環形雷射，利用干涉來達到可調波長之雷射，利用極化來達到可調波長 之環型光纖雷射，利用應力來達到可調波長之雷射等。然而，環形共振腔的長度相對於線 性型光纖雷射的長度較長，因共振腔長度造成模態數過多。換句話說，若是能降低共振腔 長度，則可以避免模態的問題並且在最後雷射輸出效果會達到功率較為穩定，而不會有功 率擾動的問題。利用寬頻譜光纖反射鏡（BFM）、可調光纖光柵（TFBG）研製L Band 波 長可調線性掺鉺光纖雷射。並且提出一個新型的想法，利用一對多的光切換器（OSW）已 達到可調光纖雷射之可調波長之範圍。首先先量測固定波長前向線性型光纖雷射之特性參 數，波長為1580nm，臨界功率4.7mW，SMSR為56dB，轉換效率13%，上述之特性參數揭 示固定泵激光源輸入功率為100mW、掺鉺光纖長度為10公尺。實作可調波長之光纖雷射，

波長可調範圍包含整個L Band 範圍，並且未使用功率等化即可達到功率最大與最小之差異 小於3.7dB。L Band 可調光纖雷射最小可調波長刻度為0.2 nm，利用BFM來製作光纖雷射。

圖3-5(a) 不同轉動刻度對於光柵波長漂移之量測數據，(b)光纖光柵波長改變之設計架構。

圖3-6 使用寬頻鏡面之L-band線性型可調波長光纖雷射(a)前向泵激架構(b)後向泵激架構（利用殘餘 泵激光源），EDF：掺鉺光纖；TFBG：可調光纖光柵，OSA：光頻譜儀，PM：功率量測儀，ISO：

光隔離器。

圖3-7 疊加之L-band輸出頻譜(a)第一個光纖光柵製作波長可調範圍 14.5nm，以及(b)第二個光纖光柵製作波長可調範圍12.4 nm，兩個光纖幾 乎涵蓋整個L-band。

圖3-8 擴充可調波長範圍之光纖雷射之設計圖

（利用1xN光開關與N條 TUNABLE 光纖光柵）

此架構較簡單並且容易與其他光纖元件連接。可應用於光纖通信與光纖感測之光源。

綜言之其優點如下：

The tunable laser is near polarization independent.

The fiber laser includes a BFM. Hence, the device can ignore the problem of shifting wavelength and/or wavelength misalignment between FBG pair indicate in most previous works.

The BFM-based tunable laser improves the pumping efficiency by recycling the residual pump power to the laser cavity.

The laser could extend its tuning range by using multiple FBGs.

The tunable laser is compact and light weight.

2 具色散補償與增益等化之具色散補償與增益等化之具色散補償與增益等化之具色散補償與增益等化之C+L Band EDFA/RFA

在光通訊系統中拉曼光纖放大器(RFA)變得日益重要，主要用來補償傳輸光纖的損 耗。相比於摻鉺光纖放大器，它具有更有彈性的增益頻段與較低的雜訊指數。在一個分波

多工( WDM)系統中，色散補償光纖與單模光纖的色散匹配問題會產生較大的殘餘色散，進

而影響到系統的最大頻寬及傳輸速率。對於拉曼光纖放大器而言，首要的課題不外乎是色 散管理或是增益等化等議題。舉例來說，在一個使用拉曼光纖放大器的分波多工系統中，

有人提出使用色散補償光纖來補償光纖色散。在另一方面，針對增益等化議題，也有研究 利用多顆泵激雷射架構，針對其波長、功率等去做理想化，來達成增益等化的效果。然而 這些架構使用多顆泵機雷射來實現增益等化特性較複雜且昂貴，這是由於泵機雷射的波長 與功率的調整是必須且複雜的。在本節中，我們提出了使用單一泵激光源設計混成C+L Band EDFA/RFA，C Band是用摻鉺光纖放大器原理，L Band 是用拉曼位移原理。而其功 率等化與色散管理都建構在光纖光柵架構。

1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 -240

-120 0 120 240

Residual dispersion (ps/nm)

Wavelength (nm) w/o residual dispersion w residual dispersion

圖3-9 (a)使用單一泵激光源設計混成 C+L Band EDFA/RFA 之概念。

(b)殘餘色散值對波長的關係曲線

為了解決色散不匹配問題，將不同波長光纖光柵置於光放大器的不同位置，控制各個 通道的傳輸長度。而增益等化問題，可以藉由調整各個光纖光柵的反射率來達成。藉由精 確的控制光纖光柵的反射率，最大輸出功率變動量可小於± 0.5dB。

圖3-10 混成 C+L Band EDFA/RFA 架構

圖3-11 (a)功率等化前後調整之光纖光柵反射率曲線，

(b) 未補償前之 C+L Band 增益與雜訊指關係曲線。

(b) 補償後之 C+L Band 增益與雜訊指關係曲線。

3 分波多工被動光網路監測系統分波多工被動光網路監測系統分波多工被動光網路監測系統分波多工被動光網路監測系統

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