拉曼放大的效應是由於高功率在光纖中所產生的非線性效應
( Stimulated Raman Scattering, SRS )
將短波長之能量轉移給長波長而 造 成 信 號 之 放 大 作 用 ， 其 所 產 生 之 位 移 量 大 約 與 幫 激 光 源 相 距13.2THz ( ~105 nm )
。本章中，將利用五種不同之實驗架構來討論拉曼放大器在類比
CATV
系統中所產生之問題並與摻鉺光纖放大器在 同樣系統中作一比較。3.1 量測系統架構
實驗的架構中，我們是使用
Ortel
公司所研發的外調式調幅視訊 光發射機( Model 3960A )
，輸出功率為5.9~6.2 dBm
、輸出波長為1549.28 nm
，以及對於布里昂的非線性效應( SBS )
抑制功率為16 dBm
的發射機，表3-1
為此發射機之本身之性能。圖3-1
為Back-to-Back
之架構圖，所謂Back-to-Back
是利用NTSC ( National Television
Standard Committee ) 80
個載波頻道，載入發射機中傳送，利用一個已模組化之摻鉺光纖放大器將信號放大，其輸出功率約為
20 dBm
， 圖3-2
為此摻鉺光纖放大器之ASE
頻譜圖，放大器後並利用光衰減器
(VOA)
將信號衰減使其進入接收端的功率保持在2 dBm
，以產生最佳的視訊性能，且利用可調式射頻帶通濾波器
( RF Tunable Bandpass
Filter )
來濾除其它頻道，最後並使用有線電視頻譜分析儀( HP-8591C )
來作性能分析，此架構中並無經過任何光纖傳輸。圖
3-3
為加上25 km
LEAF ( Large Effect Area Fiber )
光纖傳輸時的架構，所謂LEAF
光纖 也就是大有效面積光纖，一般而言，它的色散參數約為4 ( ps/km-nm )
比單模光纖的17 ( ps/km-nm )
來的低，但卻有著比單模光纖來得大的 損失( ~0.24dB/km )
，其有效面積(A
eff)
約為72µm
2~90µm
2，相較於SMF
之80µm
2以及DSF
之50µm
2，其有較大之有效面積。在此架構中，為避免由摻鉺光纖放大器輸出時過大的功率在進入光纖中會產生布
里昂散射
( SBS )
的非線性效應因而劣化系統性能，因此我們利用光衰減器在輸入光纖前衰減其功率，讓進入光纖的功率保持在
16 dBm
。 圖3-4
的架構圖為將上一架構(
圖3-3 )
之摻鉺光纖放大器改用分 佈式拉曼放大器來取代，利用4
顆FP-LD ( Fabry-Perot Laser Doide )
加上布拉格光柵的雷射，其波長分別為1460 nm
、1470 nm
、1480 nm
、1490 nm
來當作拉曼放大器的幫激雷射，幫激功率各為22.58dBm
、22.91dBm
、22.71dBm
、22.52dBm
，並利用WaveSplitter
公司所生產 的拉曼幫激雷射合波器將不同幫激波長之雷射結合在一起輸出，總幫 激輸出功率約為26.43 dBm ( 440 mw )
，使用1480/1550
的WDM
耦 合器來與信號作結合，並使用後向幫激的方式利用25 km
的LEAF
光 纖當作其增益介質以放大信號。由於幫激功率有26.43 dBm
，對於25 km
的LEAF
光纖而言，在發射機端仍會有殘餘之幫激功率打入外調 器中，使得雷射輸出的線性度受到影響而造成性能中CTB
的嚴重劣 化，因此我們在發射機的輸出端加一隔離器(Isolator)
來避免殘餘的幫 激功率打入外調器中。再者，為濾除信號波長以外的雜訊，我們使用 一個1
×8
的分波解多工器( DMUX )
置於接收機前，其第二頻道之濾 波頻帶的光譜如圖3-5
所示，所對應波長為1549.32 nm
，3 dB
處的濾 波頻帶寬約為0.98 nm
，具有約1.8 dB
的插入損失值。在此架構下，所產生之拉曼增益為
9.25 dB
。圖
3-6
之架構圖是將圖3-4
的25 km LEAF
光纖改由25 km
單模光纖
( SMF )
取代，對於相同的幫激功率下，在加入單模光纖的架構中其拉曼增益只有
6.4 dB
，原因是因為單模光纖有較大的纖核( core )
半徑，因此在光纖中所產生的非線性拉曼效應亦較小，故對於信號便 產生較小之增益值。圖3-7
為量測拉曼增益所用之方法，首先在分波解多工器
( DMUX )
的輸入端量到未加上幫激功率時的信號光譜，而後將幫激功率開啟同樣的量到經過放大後的信號光譜圖，兩信號尖端 的功率差即所謂的拉曼增益。
對於較長距離的傳輸，我們有使用了
80 km
的LEAF
光纖來傳輸 的架構如圖3-8
所示，由於功率預置( Power budget )
的不足，所以同 時使用了摻鉺光纖放大器與拉曼光纖放大器作為信號之放大。對於摻 鉺光纖放大器所產生之放大自發性輻射( ASE )
所造成的影響，我們在 摻鉺光纖放大器的後端加上一個3 dB
的濾波頻帶為2.5 nm
的光帶通 濾波器( Optical Bandpass Filter, OBPF )
以預先濾除摻鉺光纖放大器所 產生之ASE
雜訊，在總長為80 km
的LEAF
光纖中，利用後向幫激 所產生的拉曼增益為10.1 dB
。這五種架構為本論文為討論拉曼放大 器在類比CATV
中所產生之影響，並與以往所使用之摻鉺光纖放大器 作一比較，更利用不同光纖所產生之不同系統性能作探討，以確切指 出拉曼放大器在此系統之可行性。3.2 實驗結果
在
Back-to-Back
的架構中，直接經由摻鉺光纖放大器放大信號並 在接收端使用頻譜分析儀所量得之CNR
約為48.8~50.4 dB
、CSO
約 為74.2~78.8 dBc
、CTB
約為71.8~74.3 dBc
。而對於加入25km LEAF
光纖經由摻鉺光纖放大器的架構中，在接收端所量得的CNR
約為47.5~50.4 dB
相較於Back-to-Back
約劣化0.5~1.0 dB
，原因為信號在 光纖中所造成信號的損失與光纖在傳輸中雜訊的累積所致，CSO
約 為73.3~78.3 dBc
，CTB
約為69.4~73.7 dBc
，相較於Back-to-Back
各約劣化
2~3 dB
，原因為光纖中之色散與非線性效應( SPM )
所造成在接收端時電信號中的合成拍差增加而劣化系統中之性能。圖
3-9
為經過
25km LEAF
光纖後在接收端未經過衰減器前的信號頻譜圖，顯示信號在經過摻鉺光纖放大器及光纖傳輸後所產生之訊號與雜訊，所造 成之雜訊主要為摻鉺光纖放大器中之
ASE
為主。之後，我們將系統中之摻鉺光纖放大器改以自組之分佈式拉曼光 纖放大器取代，使用濾波頻寬為
0.98 nm
之分波解多工器( DMUX )
作為濾除其他殘餘幫激波長的元件，圖3-10
為此架構中在分波解多工器之輸入
/
出端所量得的信號與幫激波長之頻譜圖，對於後向幫激Spontaneous Emission, SSE )
相互所累積的雜訊而造成此系統中CNR
的嚴重劣化，相較於B-B
的 架構中約差3 dB
，而也由於長距離的傳 輸信號受光纖中色散與其他非線性效應( SPM )
的影響，對於CSO
與CTB
也分別有2~3 dB
與1~2 dB
的劣化。3.3 討論
實驗中證實，當使用拉曼光纖放大器於類比之
CATV
系統時，CNR
會因為其幫激雷射在傳輸之光纖中產生較高的拉曼自發性輻射 與信號本身的光源自發性輻射( SSE )
而造成劣化，圖3-13
為沒有加 入信號時，純粹由幫激雷射經由25 km
的LEAF
光纖在DMUX
前所 量得的光譜圖，由圖可看出其雜訊頻帶範圍由1510~1600 nm
左右。對於光的信號部分，我們找出影響信號雜訊最大之幫激雷射為
1460 nm
。圖3-14
為在DMUX
輸出端所量到未加信號時，各個幫激雷射〝
off
〞時在信號波長處的雜訊光譜圖，由雜訊的高低可以判斷出當1460 nm
波長的幫激雷射關掉時，其雜訊降低最多。而對於電信號的部分，亦使用電的頻譜分析儀
( ESA )
來量測其相對頻譜及雜訊間之關 係。我們針對4
顆雷射全開與關掉1460 nm
的雷射來看其信號雜訊在 電的頻譜儀上的變化差異，並比較平均模態( average mode )
、即時時 間模態( real time mode )
以及最大值模態( Max & hold mode )
三種模 態之差別。圖3-15
、3-16
、3-17
分別為其三種模態比較1460 nm
雷射on/off
的情形，在圖中，我們可以看出當1460 nm
波長的雷射關掉時，在信號旁邊的雜訊有些微的下降，這是造成
CNR
改善的主要原因。對於關掉
1460 nm
波長的雷射的系統架構下，所量得的CNR
、CSO
、CTB
分別為47.1~49.9 dB
、74.6~77.8 dBc
、68.5~74.5 dBc
，對於CNR
約有
0.5 ~1.0 dB
的改善。相較於使用摻鉺光纖放大器的系統中，CNR
以由原本相差
1.5 dB
改善至相差0.5 dB
，而CSO
與CTB
則差不多，因此我們可以證明，有效的改善幫激雷射所造成的雜訊可明顯的提高 系統之
CNR
值。圖3-18
、3-19
、3-20
分別為五種系統架構中的CNR
、CSO
與CTB
的比較圖，圖中可以明顯看出彼此之間的劣化情形。
在文檔中
拉曼光放大之光纖有線電視傳輸技術之研究
(頁 25-30)