第五章 Ｓ 頻段的光纖感測與多點感測
5.2 利用光半導體放大器組成的雷射進行多點感測
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 使用比例較小的光耦合器（損耗較大）都可到較多的波長輸出。所以在圖 5.7 中若是適當的選擇光耦合器的耦合比例將可以避免非線性的效應，得到 較好的完整的訊號。根據實驗的結果，共振腔的損耗和 PPL 將視決定雷射 輸出的主要因素。若是再做短距離的感測系統，在“b”點觀測時可以測較清 晰的訊號（SNR 大）；在長距離的感測系統中，此時高功率的訊號會較符 合需求，就須在”a”點觀測，當然需要適當的選擇耦合器的比例以避免非線 性效應的產生。
5.2.2 結論
在此我們提出並且驗證一個多點光纖感測的系統，利用迴路型雷射的 架構，以 SOA 和不同比例光耦合器的組合為增益的介質。依造 SOA 的非 均相增寬來達到多波長輸出的可能。實驗的結果顯示出 8 個偵測點的光纖 雷射感測系統會有很好的表現。
Scanning Waveform
λ2 FBG2
λ1 λ3 λ4
FBG3
FBG1 FBG4
C : 1 × 2 and 3-dB Optical Coupler W : 980/1480 WDM Coupler FBG : Fiber Bragg Grating EDF : Erbium-Doped Fiber
FFP-TF : Fiber Fabry-Perot Tunable Filter
“Output Port”
C FFP-TF
980 nm Pump Laser
W
EDF EDF
W
Isolator
C
S-Band EDFA Module
圖 5.1: 基於迴路型雷射架構的光纖感測系統
Wavelength (nm)
1505 1510 1515 1520 1525
O u tput Po wer (dBm)
-60 -40 -20 0 20
λ1 = 1511.39 nm λ2 = 1513.42 nm λ3 = 1515.69 nm λ4 = 1517.37 nm
圖 5.2: 利用 4 個不同波長的 FBGs 產生的雷射輸出
S-Band ASE
Wavelength (nm)
1460 1480 1500 1520 1540
Output Power (dBm)
-45 -35 -25 -15
圖 5.3: S 頻段 EDFA 的 ASE 頻譜
λ2 = 1513.42 nm
Applied Strain (µ ε)
0 500 1000 1500 2000 2500
C entral Wavelength (nm)
1513.5 1514.0 1514.5 1515.0 1515.5 1516.0 1516.5
圖 5.4: 施加拉力於波長 1513.42 nm 的 FBG 上得到拉力與波長漂移的關係
Wavelength (nm)
1505 1510 1515 1520 1525
Output Power (dBm)
-60 -40 -20 0 20
λ1 = 1511.39 nm λ2 = 1513.42 nm
圖 5.5: 當在 FBG2 與 FBG3 間有斷點時，頻譜上掃到的雷射數目
C: Optical Coupler OR: Optical Reflector FBG: Fiber Bragg Grating
SOA: Semiconductor Optical Amplifier
λ1
1400 1450 1500 1550 1600 1650
Power (dBm)
Point "1"
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-45 -35 -25 -15 -5 5 15
圖 5.7(a): 在耦合比例為 15%(“4”與“1”相接) 時在“a”點測量到的多點感測系統頻譜
Point "2"
Wavelength (nm)
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-45 -35 -25 -15 -5 5 15
圖 5.7(b): 在耦合比例為 35%(“4”與“2”相接) 時在“a”點測量到的多點感測系統頻譜
Point "3"
Wavelength (nm)
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-45 -35 -25 -15 -5 5 15
圖 5.7(c): 在耦合比例為 50%(“4”與“3”相接) 時在“a”點測量到的多點感測系統頻譜
Point "1"
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-90 -70 -50 -30 -10
圖 5.8(a): 在耦合比例為 15%(“4”與“1”相接) 時在“b”點測量到的多點感測系統頻譜
Point "2"
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-90 -70 -50 -30 -10
圖 5.8(b): 在耦合比例為 35%(“4”與“2”相接) 時在“b”點測量到的多點感測系統頻譜
Point "3"
1530 1540 1550 1560 1570
Power (dBm)
-90 -70 -50 -30 -10
圖 5.8(c): 在耦合比例為 50%(“4”與“3”相接) 時在“b”點測量到的多點感測系統頻譜
FBG2 = 1539.58 nm
Applied Strain (µ ε)
0 500 1000 1500 2000 2500
Central Wavelength (nm)
1539.0 1539.5 1540.0 1540.5 1541.0 1541.5 1542.0
圖 5.9: 在 FBG2 兩端施力，當“4”接到“1”時，在“a”或是“b”測量到拉力與波長漂移的關 係
第六章 總結
本論文第一部分主要是探討 S 頻段掺鉺光纖放大器的增益箝制現 象，利用 FBGs 與光放大器組成的迴路型雷射架構，使得放大器的 ASE 可 以再回授到放大器之中。藉著選擇適當耦合比例的光耦合器可以提高放大 器的增益與較低噪聲指數。對於將來 WDM 系統延伸到 S 頻段時提供了 一個可行的方案。
第二部份探討的是單模 S 頻段的迴路型雷射，實驗中是利用一個 Fabry-Perot tunable filter 和由一段未泵激的 EDF 加上反射鏡所組成的窄頻 濾波器，使的共振腔內部只有單模的震盪。由實驗的結果可知，迴路型雷 射輸出的波長及功率可以很穩定且穩定的時間可達到幾個小時。如此可提 供一個低價的 S 頻段的窄頻光源，尤其為單模輸出更可運用在通訊領域 上。
第三部份主要是探討光纖感測系統，利用迴路型雷射的架構，可以使 得訊號強度增強，有更好的 SNR 值。在此們提供了一套 S 頻段的感測系 統與一套多點感測系統。S 頻段的感測系統可以藉由調整 FFP-TF 來使 FBGs 的波長產生雷射，藉著觀察其波長的變化來偵測相應的物理量。另一 個多點感測系統主要是利用 SOA 的非均值增寬效應，可使的不同波長的
FBGs 同時產生雷射，但是受限於非線性效應的影響，必須慎選適當的光耦 合比例才可獲得較佳的訊號。
參考文獻
[1] M. B. Kodindouma, R. L. Idriss, A. D. Kersey, M. A. Davis, D. G. Bellemore, E. J.
Friebele, and M. A. Putnam, “Damage assessment of a full-scale bridge using an optical fiber monitoring system,” Proc. SPIE, vol. 2719, pp. 265–275, 1996.
[2] X. Jin, J. S. Sirkis, and J. K. Chung, “Optical fiber sensor for simultaneous measurement of strain and temperature,” Proc. SPIE, vol. 3042, pp. 120–127, 1997.
[3] T. C. Kirkpatrick, D. O. Peterson, P. J. Rossi, L. R. Ray, and R. A. Livingston,
“Preliminary study to facilitate smart structure systems in bridge girders,” Proc. SPIE, vol. 3671, pp. 152–160, 1999.
[4] C. C. Chan, W. Jin, H. L. Ho, D. N. Wang, and Y. Wang, “Improvement of measurement accuracy of fiber Bragg grating sensor systems by use of gas absorption lines as multi-wavelength references,” Electron. Lett., vol. 37, pp. 742–743, 2001.
[5] Y. Zhang, D. Feng, Z. Liu, Z. Guo, and X. Dong, “High-sensitivity pressure sensor using a shielded polymer-coated fiber Bragg grating,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, no. 4, pp. 618–619, Apr. 2001.
[6] D. F. Murphy, D. A. Flavin, and R. McBride, “Interferometric interrogation of in-fiber Bragg grating sensors without mechanical path length scanning,” J. Lightw. Technol., vol. 19, no. 7, pp. 1004–1009, Jul. 2001.
[7] C. C. Kuo, “The mechanical behavior research of optical fiber grating sensors,” M.S.
thesis, Department of Civil Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, R.O.C., Jun. 1997.
[8] Y. J. Rao, M. R. Cooper, D. A. Jackson, C. N. Pannell, and L. Reekie, “Simultaneous measurement of displacement and temperature using in-fiber-Bragg-grating-based extrinsic Fizeau sensor,” Electron. Lett., vol. 36, pp. 1610–1612, 2000.
[9] V. Koulaxouzidis, M. J. Holmes, C. V. Roberts, and V. A. Handerek, “A shear and vertical stress sensor for physiological measurements using fiber Bragg gratings,” in Proc. IEEE 22nd Annu. Int. Conf. Engineering in Medicine and Biology Soc., vol. 1, Jul. 2000, pp. 55–58.
[10] E. Snitzer, Phys. Rev. Lett., No.7, p444, 1961
[11] J. Stone and C. A. Burros, Appl. Phys. Lett., No.23, p888, 1973
[12] M. J. F. Digonnet, Ed., Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Marcel Dekker, New York, 1997
[13] R. J. Mears, L. Reekie, S. B. Poole, and D. N. Payne, Electron. Lett., No.21, p738, 1985
[14] P. C. Becker, N. A. Olsson, J. R. Simpson, “Erbium-Doped Fiber Amplifiers Fundamentals and Technology,” Academic Press.
[15] B. E. A. Saleh, M. C. Teich, “Fundamentals of Photonics,” John Wiley & Sons, New York, 1991
[16] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, 2nd ed., Wiley, New York, 1997
[17] M. Cai, X. Liu, J. Cui, M. Leblance, P. Tang, and J. Peng, “Study on noise characteristic of gain-clamped erbium-doped fiber-ring lasing amplifier,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 1093-1095, Aug 1997.
[18] S. Y. Ko, M. W. Kim, D. H. Kim, S. H. Kim, J. C. Jo, and J. H. Park, “Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by tuning centre wavelength of a fiber Bragg grating constituting resonant cavity,” Electron. Lett., vol. 34, pp. 990-991, 1998.
[19] B. Clesca, “Flat-gain amplifiers and transmission in WDM networks,” Tech. Dig.
Optical Amplifiers and their Applications, Monterey, CA, Paper FA1, pp. 54–57, July 1996.
[20] Chun Jiang, Weisheng Hu, Qingji Zeng, and Shilin Xiao, “Novel split-band erbium-doped fiber amplifier,” Optics & Laser Technology, vol. 35, pp. 251-256, 2003.
[21] C. H. Yeh, C. C. Lee, and S. Chi, “120-nm bandwidth erbium-doped fiber amplifier module in parallel configuration,” IEEE. Photon. Technol. Lett., vol. 16, pp.1637-1639, 2004.
[22] Y. H. Lu and S. Chi, “ All-optical gain-clamped wideband serial EDFA with
ring-shaped laser,” Opt. Commun., vol. 229, pp. 317-323, 2004.
[23] Q. F. Jiang, X. M. Liu, Q. Wang, and X. Feng, “Dynamically gain control in the serial structure C+L wideband EDFA,” IEEE. Photon. Technol. Lett., vol. 16, pp.87-89, 2004.
[24] C. H. Yeh, C. Y. Chen, and S. Chi, “Dynamic adjustment for gain-clamping erbium-doped fiber amplifier using a backward-injection light,” Opt. Eng., vol. 44, pp.
029701, 2005.
[25] Y. H. Lu, L. H. Su, and Y. K. Chen, “Optically gain-clamped wideband erbium-doped fiber amplifier using a common figure-eight feedback-loop lasing light,” Opt.
Commun., vol. 229, pp 293-298, 2002.
[26] M. Cai, X. Liu, J. Cui, P. Tang, D. Liu, and J. Peng, “Study on noise characteristic of gain-clamped erbium-doped fiber-ring lasing amplifier,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp.1093- 1095, 1997.
[27] M. A. Arbore, Y. Zhou, G. Keaton, and T. J. Kane, “30 dB gain at 1500 nm in S-band Erbium-doped silica fiber with distributed ASE suppression,” in Proc. SPIE, Optical Devices for Fiber Communication IV, vol. 4989, 2003, pp. 47–52.
[28] C. C. Lee, Y. K. Chen, S. K. Liaw, “Single-longitudinal-mode fiber laser with a passive multiple-ring cavity and its application for video transmission,” Opt. Lett.
23(5), 358-360 (1998).
[29] J. Zhang, C. Y. Yue, G. W. Schinn, W. R. L. Clements, J. W. Y. Lit, “Stable
single-mode compound-ring erbium-doped fiber laser,” J. Lightwave Technol. 14(1), 104-109 (1996).
[30] K. J. Vahala, P. Namkyoo, J. Dawson, S. Sanders, “Tunable single-frequency erbium fiber ring laser,” in IEEE LEOS’93 Conf. Proc., pp. 708-709 (1993)
[31] Y. Cheng, J. T. Kringlebotn, D. N. Payne, “Stable single-frequency traveling-wave fiber loop laser with integral saturable-absorber-based tracking narrow-band filter,”
Opt. Lett. 20(8), 875-877 (1995).
[32] C. H. Yeh, C. C. Lee, S. Chi, “A tunable S-band erbium-doped fiber ring laser,” IEEE Photon. Technol. Lett. 15(8), 1053-1054 (2003).
[33] G. Meltz, W. W. Morey, and W. H. Glenn, “Formation of Brdgg gratings in optical fiber by a transverse holographic method,” Opt. Lett., vol. 14, pp. 823–825, 1989.
[34] C. G. Askins, I. E. Tsai, G. M. Williams, M. A. Puttman, M. Bashkansky, and E. J.
Friebele, “Fiber Bragg reflectors prepared by a single exciter pulse’, Opt. Lett., vol 17, pp. 833–835, 1992.
[35] S. M. Melle, K. Liu, and R. M. Measures, “A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors,” IEEE Photon. Technol. Lette., vol. 4, pp. 516–518, 1992.
[36] D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, “High resolution fiber Bragg grating based strain sensor with interferometric wavelength shift detection,” Electron. Lett., vol. 28, pp. 236–238, 1992.
[37] D. Kersey and W. W. Morey, “Multi-element Bragg-grating based fiber-laser strain sensor,” Electron. Lett., vol. 29, no. 11, pp. 964–965, 1993.
[38] T. Alavie, S. E. Karr, A. Othonos, and R. M. Measures, “A multiplexed Bragg grating fiber laser sensor system,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, pp. 1112–1114, 1993.
[39] G. A. Ball, W. W. Morey, and P. K. Cheo, “Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation,” J. Lightwave Technol., vol. 12, pp. 700–703, 1994.
[40] S. Kim, H. Yoon, S. B. Lee, S. S. Choi, and B. Lee, “Multiplexed strain sensor for long-distance remote sensing using fiber grating-tuned fiber laser scheme,” in CLEO Pacific Rim ’99 Tech. Dig., Seoul, Korea, 1999, pp. 324–325.
[41] D. L. Blumenthal and N. C. Kothari: IEEE Photonics Technol. Lett. 8 (1996) 133.