第四章 可調且穩定的 S 頻段迴路型雷射
4.3 實驗結果及討論
由圖 4.2 可看出雷射輸出波長為 1480.6 到 1522.9 nm 以及 S 頻段掺 鉺光纖放大器的 ASE。在波長介於 1480.6 到 1522.9 nm 之間，雷射的輸 出功率都在 -9.5dBm 以上，SMSR 都在 26.1 dB 以上。每個波長的輸出功 率及 SMSR 由圖 4.3 看出，由圖中我們可看出在 1497.7 nm 時有最大的輸 出功率為 10.9dBm，而越靠近兩側，其輸出的功率越來越小；在 1522.9 nm 時有最小的輸出 -9.5dBm。當在 1488.7 到 1505.7nm 之間，輸出的雷射功 率都在 10dBm 以上，而 SMSR 都在 49.1 dB 以上。很顯然這圖像的分佈與 放大器本身的 ASE 分布並不相同，原因是在迴路內還有一段未泵激的 EDF 使得整個迴路的增益曲線與原來不同，此增益曲線決定於放大器的增 益頻譜與 EDF 的吸收頻譜。若是我們適當的調變泵激光源的功率，則可以 得到較平坦化的輸出及 SMSR。
為了能證明輸出為單模的雷射，就必須藉助 Homodyne 量測法來測量 雷射的線寬。我們比較未加 1 m EDF 飽和吸收體與加上之後的差異，此時 波長為 1498.8 nm （圖 4.4）。當未加 1 m 的 EDF 時，在 RF 頻譜上是非 常的不穩定的，發現每隔約 3.3 MHz 的間距會出現一個縱模；若是加了
EDF 之後可以發現其 RF 頻譜是非常乾淨的，沒有其他的雜訊出現，此時 可證為雷射達到單模的輸出。
接下來我們做了有關雷射輸出功率與波長穩定度的實驗（圖 4.5）。實 驗中我們觀察的對象是為 1498.8 nm，觀察的時間為 900 秒。由量測的結 果可知其波長的變化約在 0.01 nm 之間；輸出功率約在上下 0.02 dB 間震 盪，然而其斜度效率（slope efficiency）僅為 1.12％。若是進行 4 小時的 觀察，我們發現其輸出波長及功率依然變化不大。
4.4 結論
在此我們提出了一個可確保輸出為單模的迴路型雷射。主要是在迴路 共振腔內放置兩個不同的濾波器，一個 FFP-TP 和一個由 1 m EDF 與反射 鏡組成的布拉格光柵濾波器，前者可用來調整輸出的波長，後者可視為一 個窄頻的濾波器，用來確保為單模輸出。而雷射輸出的範圍落在 1480.6 到 1522.9 nm 之間，且輸出的波長變化率約在 0.01 nm，輸出功率的變化率在 0.02 dB 之內。其穩定的輸出有利於將來在 S 頻段的應用。
FFP-TF
980 nm Pump LD
W
EDF EDF
W
Isolator
C
S-Band EDFA Module
C : 1 × 2 and 3 dB Optical Coupler W : 980/1550 WDM Coupler PC : Polarization Controller OR : Optical Reflector EDF : Erbium-Doped Fiber
FFP-TF : Fiber Fabry-Perot Tunable Filter
“Output”
C PC
OR Unpumped EDF
圖 4.1: 單模輸出 S 頻段迴路型雷射實驗架構
Wavelength (nm)
1480 1490 1500 1510 1520
Output Pow er (dB m )
-60 -40 -20 0 20
S-Band ASE
Wavelength (nm)
1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530
Power (dBm)
-50 -40 -30 -20 -10
圖 4.2: 單模雷射的輸出波長，範圍在 1480.6 －1522.9 nm。圖上方為 S 頻段 EDFA 的 ASE
Unpumped EDF: 1-m long
Wavelength (nm)
1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530
Output Power (dBm)
-15 -10 -5 0 5 10 15
Si de -M ode Suppr es si on Rati o (dB)
15 25 35 45 55 65
Output Power SMSR
圖 4.3: 單模 S 頻段迴路型雷射的輸出功率及 SMSR
Frequency (MHz)
0 20 40 60 80 100
-100 -80 -60 -40 -20 0 -100 -80 -60 -40 -20 0
Rela tive Intensity Noise (dB/Hz)
Conventional
Proposed
圖 4.4: 傳統的迴路型雷射與加上未泵激的 EDF 利用 homodyne 量測法測得在 RF 上 的頻譜變化
Time (sec.)
0 200 400 600 800 1000
Output Pow er (dB m )
8 9 10 11 12
Centr a l Wavelength (nm)
1498.6 1498.7 1498.8 1498.9 1499.0
Output Power Wavelength
圖 4.5: 雷射輸出波長與輸出功率對時間的變化
第五章
Ｓ 頻段的光纖感測與多點感測
利用 FBGs 作為感測器 [33] 常可用來做非常廣泛的應用，尤其是溫度 與拉力的測試。尤其常常用來埋在先進的複合材料中或是其他結構中作為 準分佈（quasi-distributed），多點和拉力的量測。近來研究的領域包括製造 的技術 [34]，波長偏移解調技術 [35] [36]，多路傳輸近似（multiplexing approach）[37]，基於 FBGs 的雷射感測概念[38]-[40]。
5.1 利用 S 頻段迴路型雷射的架構進行感測
由於 S 頻段的光放大器的技術已趨成熟，因此我們將偵測的範圍向下 延伸到 S 頻段，藉著利用 S 頻段的光放大模組。與傳統使用寬頻光源的 感測系統相比，使用迴路型雷射架構的系統的光學訊號可以更大，改對系 統的噪訊比可以明顯的提升。
在這小節中，我們提出一個基於 S 頻段的迴路型雷射架構的 FBGs 感 測系統，系統中的數個布拉格光纖光柵感測器主要是作為一個回授的裝 置。藉著調整共振腔內的濾波器可以使得在 FBGs 感測器的波長產生雷 射。若是感測器受到外力時，由產生雷射的波長會有偏移量，藉此來回推 外力的大小。
5.1.1 實驗架構
實驗的架構是由一個 S 頻段的光放大模組，一個 FFP-TP，一個 2 2×
的光耦合器和 4 條不同中心波長的 FBGs（圖 5.1）。FBG
50 : 50 1 到 FBG4
各個的中心波長為：1511.39 nm，1513.42 nm，1515.69 nm及 1517.37 nm；
個別的反射率為：91.8％，93.1％，95.9％及 82.9％。FFP-TF為一個全頻段 的元件，其可調的波長範圍非常的廣，FSR 為 45 nm。當在其外部的 PZT 施加適當的偏壓時可使得 FFP-TP在迴路型共振腔內提供輸出想選擇的波 長。此外系統中由於 S 頻段掺鉺光纖內使用兩個光隔絕器（isolator），可 確保光為單向行進。系統中 4 條串接在一起的 FBGs 除了作為感測器外，
同時在整個雷射架構中也作為反射的介質，由於系統包含了一個 FFP-TL，
作為一個帶通濾波器（pass-band filter）可以使得輸出的雷射波長與 FBGs 的波長一致。
5.1.2 結果與討論
當我們連續的調整加在 FFT-TP 的電壓，在光譜分析儀上可以分別看 到 4 個的波長輸出（圖 5.2）。當然其輸出的波長即為 FBGs 的波長。由圖 中可以看出輸出的功率並非相同，在長波長的地方輸出的功率較小，這是 因為輸出的功率決定於每條 FBGs 反射率以及放大器的增益頻譜。若是波 長落在兩個感測點之間，會因為無法將放大器的 ASE 在度反射回共振腔內 以至於在輸出僅可看到 ASE 的部份，沒有雷射的現象。S 頻段光放大器模
組的 ASE 落在 1478 至 1526 nm 之間，輸出的總功率大於 -40dBm（圖 5.3）。若是在 FFP-TP 和光放大器之間的光路上再加上一個光耦合器，則會 觀察到由 FBGs 反射回來的頻譜，與圖 5.1 相比會發現少了放大器的 ASE 部分，當然由於少了一次放大的結果，輸出的功率也會較小。
當在FBG 的兩端施力時，FBG的中心波長會往長波長的地方移動。這 個性質即可以被利用來做應力的量測。在本實驗中，若是施力使 FBG 的 波長位移時，我們將可以適當的調整加在 FFP-TF 的偏壓，使觀察到的訊 號得到最佳化，因此可以來追跡 FBGs 波長的位移量。若是施加不同的拉 力（0 － 2000 µε ）在 FBG2（λ2 =1513.42 nm），則可得到拉力對位移波長 的關係圖（圖 5.4）。當到達最大施力的時候，FBG 波長的位移量將可達到 約 2.2 nm。然而，溫度的變化亦會影響 FBG 波長的位移，但是在本實驗 的操作環境下，溫度的變化還不足以很明顯的影響到實驗的精確度。除了 拉力的測量外，還可以用來做光纖斷點（fiber-fault）的監控。若是斷點是 在 FBG2 與 FBG3 之間，則會由於缺少兩個反射鏡，使得 λ3 與 λ4 的波 長消失無法一個迴路，故可觀察到的只有前兩個波長（圖 5.5）。綜合以上，
若是有一外力拉斷了 FBG 感測器，於是可由頻譜上看到的雷射數目，來 判定是那兩條 FBGs 之間有斷點。
5.1.3 結論
在此我們使用迴路型雷射的架構提高光纖感測的能力，利用 FFP-TF
及各個 FBG 所組成的單向迴路使得訊號更明顯觀察。由頻譜上的分析可將 系統應用在拉力的量測，溫度的量測或是光纖網路的監控。
5.2 利用光半導體放大器組成的雷射進行多點感測
在這小節中，我們利用非均相增寬為主要效應的半導體光放大器作為 雷射架構中的增益介質，實現多點感測的目的。
5.2.1 實驗結果與討論
圖 5.6 顯示出我們提出的多路傳輸的雷射感測架構。架構中包含一個光
半導體放大器，一個 的光耦合器，一個光纖反射鏡，和 8 條串
接在一起不同波長的 FBGs。此外，圖中的虛線區塊”A”是由兩個不同
1 2× 50 : 50
1 2×
光耦合器 與 所組成。8 條 FBGs 個別的中心波長及反射率 分別為：1534.56 nm，74.7％；1539.58 nm，81.8％；1548.31 nm，91.8％；
1552.6 nm，87.7％；1556.06 nm，93.9％；1557.97 nm，94％；1562.19 nm，
87.7％；1565.65 nm，83.8％。每個 FBG 之間的間隔為 1 m。當我們加 200 mA 的電流在 SOA 上，可發現 SOA 的 3 dB 頻寬在 1475 nm 到 1515 nm 將近有 40 nm。圖 5.6 的虛線區塊”B”極為在此操作條件下的 ASE 頻 譜。在此，FBGs 的功用也是作為反射鏡用，與上一小節不同的是，我們可 在頻譜上同時看見 8 個波長，有別於一般的 EDF 雷射。一般的 EDF 雷 射並無法同時產生很多波長，這是因為鉺離子的增益曲線和其均相增寬的 性質限制了其輸出雷射波長的數目。反觀 SOA，與 DEFA 不同的非均相
50 : 50 70 : 30
增寬（inhomogeneous broadening）因此可以同時輸出很多波長。然而，每 條 FBGs 的反射率，距離的遠近，與不同比例的光耦合器間的結合將會影 響輸出雷射的功率以及 SNR 。假如使用的 8 條 FBGs 中心波長的間距比 目前還小，加上適當調整增益的介質，則可以輸出更多的波長，做更多點 的感測。
圖 5.7（a）到圖 5.7（c）分別為圖 5.5 中 ”4” 與 ”1” 至 ”3” 連接後在 位置 ”a” 量到未加拉力在 FBG 兩端的頻譜。從圖 5.7（a）可看出在 1534.56 nm 和 1565.65 nm 時有最大與最小的輸出功率分別為 3.5 及 -8.3 dBm，
SNR 為 33 及 22 dB。然而，在圖 5.7（b）及圖 5.7（c）我們觀察到其 SNR 值超過 20 dB 的只有 3 個及 6 個，且還可以觀察到許多不該出現的波長，
尤其在圖 5.7（c）更為嚴重。由實驗的結果可知當我們使用較低耦合比例 的光耦合器，可以得到較大的輸出及較高的 SNR 值。
圖 5.8（a）到圖 5.8（c）分別為圖 5.5 中 ”4” 與 ”1” 至 ”3” 連接後在 位置 ”b” 所量到未加拉力在 FBG 兩端的頻譜。比較這一系列的圖形，我 們可發現在只有圖 5.8（a）中各個波長其 SNR 值有超過 20 dB，但是輸出 的最大與最小功率卻僅有 -19 及 -55.6dBm，雖然在圖 5.8（b）與圖 5.8（c）
其雷射輸出的最小功率為 -49.2 與 -48.2 dB 比圖 5.8（a）的來得大，但是 SNR 卻小於 20 dB。比較這一系列的實驗結果，我們可現在圖 5.7 中的雷 射輸出功率都比圖 5.8 來得大，但是圖 5.8 可以提供較好的辨識的訊號（SNR
值較大）。綜合以上，當使用不同比例的光耦合器，在”b”位置可以量到較清 晰的訊號。
若是在 1539.58 nm 的 FBGs 兩端施力，則可得到波長偏移量對施壓外 力的關係（圖 5.8），中心波長的偏移量可達 2.2 nm。然而，其他的波長並 未受到影響，可以正常的輸出，不管是在“a”或是”b”量到的結果都一樣。由 此可見，在此操作下，並不會受到 SOA 的部份均相增寬效應的影響。
在“a”與”b”兩點的測量將決定共振腔的 passing path length（PPL），由 圖 5.5 可以明顯的看到“a”的路徑比”b”長。比較圖 5.7 與圖 5.8，我們發現 在”a”測量到的雷射輸出功率比”b”大，由於多一次的放大與較長的 PPL 所 致。當光的功率大到足以在 SOA 中產生非線性光學效應時，則將出現四波 混頻（four wave mixing）的現象 [41]。所以不管是在”a”或是“b”觀察，當
在“a”與”b”兩點的測量將決定共振腔的 passing path length（PPL），由 圖 5.5 可以明顯的看到“a”的路徑比”b”長。比較圖 5.7 與圖 5.8，我們發現 在”a”測量到的雷射輸出功率比”b”大，由於多一次的放大與較長的 PPL 所 致。當光的功率大到足以在 SOA 中產生非線性光學效應時，則將出現四波 混頻（four wave mixing）的現象 [41]。所以不管是在”a”或是“b”觀察，當