研究背景

摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)的發展已 超過 10 年，從早期的研究，到現在已到達實用階段。摻鉺光纖(EDF) 具有高增益的特性，適合做為放大器的增益介質，而放大器產生的 放大自發性輻射(amplified spontaneous emission, ASE)，具有高功率 和寬的頻譜線寬(linewidth)，可以作為光通信系統和感測系統的光 源 [1]，我們稱此光源為放大自發性輻射光纖光源。光源的波長視 光纖的摻雜而定，常見的摻雜元素是釹(neodymium)和鉺(erbium) [2, 3]。以摻釹光纖為增益介質的光源，其光源波長約在 1.06 nm 左右，

使用波長 800 nm 波段的幫激光源 [4]。傳統波段(C-band, 1530-1560 nm)和長波段(L-band, 1570-1610 nm)的 ASE 光源，使用的光纖為摻 鉺光纖，幫激光源有波長 980 nm 和 1480 nm 兩種 [5, 6]。

在光系統中常使用的寬頻光源有超光二極體(superluminescent diode, SLD)、發光二極體(light-emitting diode, LED)和 ASE 光纖光 源。ASE 光纖光源有較優的溫度穩定性，在某些應用上會取代 SLD 和 LED，特別是在感測系統。ASE 光纖光源的寬頻特性，使其具 有低同調性(coherence)，此特性讓 ASE 光纖光源適於量測系統的應 用，如光纖陀螺儀(fiber-optic gyroscope)和低同調光反射測量儀 (optical low coherence reflectometry)等 [7, 8]。ASE 光纖光源的另一 個應用是作為頻譜分割 WDM 系統的光源。欲瞭解 ASE 光源，則 需瞭解光源特性在其應用系統中的影響，下面分別介紹 ASE 光纖 光源在光纖陀螺儀、低同調光反射測量儀和頻譜分割 WDM 系統的 應用。表 1.1 列出 ASE 光源特性對光源應用系統的影響，從這幾個 應用的介紹，我們可以對光源特性有進一步的認識。

(1)光纖陀螺儀

在 1913 年，桑亞克(Sagnac)首先證實可以光系統測量旋轉量 (rotation) [9]。在一個轉動的系統中，利用光路中兩個反向傳輸的光

Ω

雷利後散射(Rayleigh backscatter) [14]和柯耳效應(Kerr effect) [15]，

亦可提高系統的信號雜訊比(signal-to-noise ratio, SNR) [16-18]。放 大自發輻射光源的增益介質是光纖，所以它發出來的光很容易被耦 合進光路，比起 LED 和 SLD，此光源的耦合效率極佳。以上的優 點使得放大自發輻射光纖光源，成為較適當的光纖陀螺儀光源。

(2)低同調光反射測量儀(OLCR)

低同調光反射測量儀的研究已超過 10 年 [19]。它可以用來偵 測和定位光路中的不連續點，也可以測量平面波導(planer waveguide) 或光元件的特性，如功率損耗分佈、衰減量和隔離度等。低同調光 反射測量儀具有高的空間解析度 ，其基本架構如圖 1.2，邁克森干 涉儀的一端接待測元件，另一端為參考端，接反射鏡。移動反射鏡，

使得待測端的雷利後散射光和參考端的反射光，在光檢測器上形成 干涉。反射鏡的位移量可對應出待測端的空間位置。光源的同調性 越低，則反射儀的空間解析度越高。在檢測器上量得的信號強度為 [19]

(

¹

^K ) (

¹

^A

²

^R

²

^{A R γ}

¹²

( ) ( ) ^τ

^cos

^ωτ )

K P

P

_d

=

_o

− + +

(1.5)

其中 P_o是進入耦合器的光功率，K 是耦合器的耦光比，R 是在待測 物在測量點的反射率，A 是待測物的功率損耗，τ是邁克森干涉儀 兩臂間的傳輸時間差，ω是光源的平均頻率，γ₁₂是光的干涉程度。

上式的末項是干涉信號，它使接收器的功率發生振盪，其振幅 與待測物反射率的開根號成正比。當干涉儀兩臂間的光程時間差超 過干涉時間，γ₁₂ (τ)降為 0。所以，只有在干涉儀兩臂的光程時間差，在 干涉時間之內，才能形成干涉。光反射儀的解析度，是由反射信號的半功率頻 寬(FWHM)決定，可近似為

ν υ

= ∆

∆ x

2

其中υ為光的群速度，

∆ν為光源的頻譜線寬。適當的光源頻譜線寬，

可以調整不同的空間解析度。

低同調光反射測量儀的動態範圍(dynamic range)約在 30-110 dB 之間，空間解析度在 20-60

µ

m，靈敏度在 150-160 dBm。使用寬頻 的光源可以得到高的空間解析度，但若光源頻譜在高功率位準至低 功率位準的衰減率太低，則會使光反射測量儀在強反射處出現盲區 (dead zone)，盲區範圍可高達 10 mm [20]。適當的光源和接收端設 計，可以有效地消除光源強度雜訊(intensity noise)，及降低反設分 佈圖的鋸齒現象 [21-23]。而高功率光源的使用，則可以提高反射 測量儀的動態範圍 [8]。目前使用反射測量儀測量光纖光柵的折射 率，可精準至 10^-6 [24]。在 DFB 雷射的量測，則可以從反射分佈圖 得到雷射的耦合係數 k 和吸收係數α [25]。

低同調光反射測量儀的光源有 LED、SLD 和 ASE 光源等。具 有寬的頻譜線寬和高輸出功率，為此光源所必備的特性。寬的頻譜 線寬使光源具有較低的同調性，空間解析度因而提高。高輸出功率 則能提昇反射測量儀的動態範圍。ASE 光源同時具有以上的兩個特 性，故適合作為低同調光反射測量儀的光源。

(3)頻譜分割 WDM 系統

為了提高光通信系統的傳輸容量，分波多工(WDM)系統是目前 極受矚目的技術。實現 WDM 系統，必需使用多波長的光源模組，

若用 DFB 雷射，則會增加系統的成本和複雜度。所以有人提出，

以寬頻光源和頻譜分割技術，來產生多波長的光源。頻譜分割光源 技術因為只需要一個光源，在發展 WDM 系統技術時，將是一種吸 引人的多波長光源技術 。

頻譜分割光源的架構如圖 1.3，它利用分波多工器的濾波特性，

將寬頻的光源，濾成許多波道(channel) 。各波道的頻寬(channel

bandwidth)和波道間距(channel spacing)，由分波多工器的元件特性 決定。為了得到更高的系統傳輸容量，我們希望有更窄的波道頻寬 和波道間距，如此可以從光源中，濾出更多的波道。但是太窄的波 道頻寬，使得每個波道的功率變小，而劣化系統的訊號雜訊比。而 太窄的波道間距，則容易增加波道串音(crosstalk)，系統性能亦被劣 化。在傳輸容量與波道頻寬和波道間距間，需取得平衡點。一個維 持傳輸容量與系統性能的作法，是假設波道間距至少是波道頻寬的 3 倍，則可以避免波道間串音的問題 [26]。

用來當做頻譜分割系統的光源，有 LED、SLD 和 ASE 光源等。

早期使用的光源是 LED，它被切割成 4 個波道，每個波道以 2 Mb/s 的傳輸速率，可以傳送 2.2 公里 [27]。LED 因為輸出功率很小，只 適合使用在區域網路上，目前可以切割成 8 個波道，以 50 Mb/s 的 速率傳輸 16 公里而無誤碼(error bit)發生 [28]。SLD 輸出功率較 LED 高，可傳送更遠的距離，若切割成 3 個波道，以 140 Mb/s 速率，

可傳輸至 110 公里 [29]。ASE 光源是另一種常用來當作頻譜分割 系統的光源，以 ASE 光源的系統，其性能從 1993 年的每波道速率 1.7 Gb/s [26]，到 1995 年提昇至速率為 2.5 Gb/s，在 DSF 中傳輸距 離可到 200 公里 [30]。在 1999 年，用 ASE 光源切割成 4 個波道，

在 DSF 中以 2.5 Gb/s 速率傳輸，距離超過 240 公里 [31]。另外在 PON 系統的應用，有人提出以 ASE 光源切割成 15 個下傳波道，其傳輸 速率為 500 Mb/s，上傳波道傳輸速率為 155 Mb/s，使用 1.5 nm 的 LED 為上傳光源 [32]。

頻譜分割光源的特性，主要有二點，第一是夠寬的頻譜線寬，

以切割出更多的波道，提高系統的傳輸容量。再者是夠高的輸出功 率，才能使切割出來的波道有足夠的功率，維持高的訊號雜訊比值。

而頻譜的平坦度，影響各波道的功率位準，也限制了頻譜的可切割 區域。

在文檔中 長波段放大自發性輻射光纖光源之研究 (頁 11-17)