第一章 緒論
1.1 研究背景
自從1987 年摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA) 被提出以後〔1, 2〕，發展到現在的技術已非常成熟。因摻鉺光纖放大 器具有高增益、低雜訊、寬頻帶、低波道間串音與極化無關等優良特 性〔3〕，因此在長距離傳輸系統中很快就取代需經過光電轉換中繼器 (optoelectrinic reapter)的地位。而摻鉺光纖(EDF)所產生的放大自發性 輻射(amplified spontaneous emission, ASE)，因具有高功率與寬的頻譜 線寬(linewidth)，可作為光通信和感測系統的光源〔4〕。光源的波長 由 光 纖 中 所 摻 雜 的 稀 土 離 子 所 決 定 ， 常 見 的 摻 雜 元 素 有 釹 (neodymium)、鐿(ytterbium)、銩(thulium)和鉺(erbium)。以摻釹和鐿 光纖為增益介質的光源，其波長約在1.06 nm 左右，使用波長 800 nm 波段的幫激光源〔5, 6〕。摻銩光纖的光源，輻射出的光源在短波段 (S-band,1480-1510 nm)，使用 1060 nm 幫激光源。而以摻鉺光纖為增 益介質的光源，由EDF 長度決定輻射出傳統波段(C-band, 1530-1560 nm)或長波段(L-band, 1570-1610 nm)的 ASE 光源，使用的幫激光源有 980 nm 或 1480 nm 兩種〔7, 8〕。
在光系統中常用的寬頻光源有發光二極體(light emitting diode, LED)、超光二極體(superluminescent diode, SLD)和 ASE 光纖光源。雖 然LED 和 SLD 具有寬的線寬，但是輸出光功率太弱，且波長易受溫 度影響而漂移，而 ASE 光源因具有較高的輸出功率和較穩定的頻 譜，所以會取代LED 和 SLD 應用在感測系統的地位，如光纖陀螺儀 (fiber-optic gyroscope, FOG)〔9〕。ASE 光源因具有寬的頻譜，使其具 有低同調性(coherence)，此特性使 ASE 光源適用於低同調光反射測量 儀(optical low coherence reflectometry, OLCR)〔10〕。ASE 光源也可應 用在頻譜分割分波多工系統(wavelength division multiplexing, WDM) 的光源。下面分別介紹 ASE 光纖光源在光纖陀螺儀、低同調光反射 測量儀和頻譜分割系統中的應用。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量測旋轉量 (rotation)〔11〕。在一個轉動的系統中，由於桑亞克效應，光路中 干涉系統中使用光纖〔13〕，因為單模光纖(single mode fiber, SMF) 具有低功率損耗，用光纖做的干涉儀可以使用更多的光纖匝數，
其中L 是光纖的總長度，D 是光纖環繞的直徑，λm是光源的平均 波長(mean wavelength)。光纖陀螺儀系統產生的桑亞克相位差正比 於旋轉量，其比率因子(scale factor)為
c LD
λm
π
2 。陀螺儀旋轉率的精確 度是由比率因子所決定，而比率因子的穩定性取決於光源平均波 長的穩定性，所以光源平均波長穩定度提高，則陀螺儀的精確度 亦相對提高。
光纖陀螺儀相對於傳統機械式陀螺儀具有以下優點：寬的動態 範圍、短的反應時間、高機械強度、體積小、生命週期長和高可 靠度〔14〕。常使用的光纖陀螺儀光源有，LED，SLD 和 ASE 光 纖光源。導航級陀螺儀精確度較高，其光源頻譜的溫度穩定需要 小於1 ppm，LED 和 SLD 的溫度穩定性較差，約為 400 ppm/℃，
欲滿足導航級陀螺儀光源的穩定性，其溫度變化需控制在 0.0025
℃之內，所以 LED 和 SLD 不適合高精密度陀螺儀的應用，只適合 中低精密度陀螺儀應用。由於光纖的溫度變化可以很容易控制在 0.1℃以內，所以放大自發性輻射光源的溫度係數只要小於 10 ppm/
℃，就可以達成高精密度陀螺儀的1 ppm 溫度穩定性要求〔15〕。
除了波長穩定性的優點外，放大自發性輻射光源還具有高輸 出功率和寬的譜線寬度，這兩個特性使它更適合光纖陀螺儀光源 的應用。寬頻光源的同調性低，可以降低光纖陀螺儀產生的同調 誤差，如雷利後散射(Rayleigh backscatter)、極化交互耦合效應 (polarization cross-coupling)和柯耳效應(Kerr effect)〔15, 16, 17〕。
高輸出功率光源可以提高系統的信號雜訊比(signal-to-noise rotio, SNR)〔15〕。放大自發性輻射光源的增益介質是光纖，所以它輻射 出來的光可以很容易的耦合進光路中，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 較適當的陀螺儀光源。
(2) 低同調光反射測量儀
低同調光反射測量儀的研究已經超過 10 年〔18〕，它可以用 來偵測和定位光路中的不連續點，也可以量測平面波導(planar 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和高靈敏度，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向散射光和參 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〔18〕
(
1) (
1 2 γ12( ) ( )
τ cosωτ)
2
0K K A R A R
P
Pd = − + + (1.5) 其中 Po是進入耦合器的光功率，K 是耦合器的耦合比，R 是待測 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震盪，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 時間差小於干涉時間，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(full width at half maximum, FWHM)所決定，
可近似為
v x v
= ∆
∆ 2
其中 υ 為光的群速度，Δν為光源的頻譜寬度。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(dymanic range)約在 30-110 dB 之間，空間解析度在 20-60 µm，靈敏度在 150-160 dBm。使用 寬頻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〔19〕。適當的光源和 接收端設計，可以有效的消除光源強度雜訊(intensity noise)，及降 低反射分佈圖的鋸齒現象〔20-22〕。使用高功率的光源可以提高反 射測量儀的動態範圍〔10〕。目前使用反射測量儀量測光纖光柵的 折射率，可精準至10-6〔23〕。在 DFB 雷射的量測，則可以從反射 頻譜圖得到雷射的耦合係數K 和吸收係數 α〔24〕。
可使用在低同調光反射測量儀的光源有LED、SLD 和 ASE 光 源等，而要同時具有寬的譜線寬度和高的輸出功率只有ASE 光源 滿足。寬的頻譜線寬具有較低同調性，可以提高反射儀的空間解 析度，而高輸出功率可以提高反射測量儀的動態範圍。
(3) 頻譜分割 WDM 系統
為了提高網路的傳輸容量，分波多工系統是最被廣泛使用的 方法。一般WDM 系統都採用多波長的光源模組，如 DFB 多波長 模組，但這樣做會增加系統的複雜度和成本。在 1988 年，M. H.
Reeve 等人提出用 LED 的寬頻光源來作為 WDM 的光源〔25〕，在 1991 年，Tomas E. Chapuran 等人也提出利用 SLD 的寬頻光源
〔26〕。LED 和 SLD 的壽命長且使用簡單，但 LED 和 SLD 寬頻 光源的功率過低，不適合應用在長距離傳輸中。一直到1993 年 J.
S. Lee 等人利用高功率 EDFA 所產生的放大自發性輻射光源來製 作頻譜分割的非同調光源，並將其應用在WDM 的系統中〔27〕。
頻譜分割光源的基本架構如圖1.3，它將一個寬頻光源入射到 分波多工器、光濾波器(optical filter)或是將長週期光纖光柵(long- period fiber grating, FBG)串接於光系統中，利用元件的濾波特性將 寬頻光源分割成不同的頻道，每個波道的波長、光頻寬(optical bandwidth)和波道間距(channel spacing)是由濾波器的特性所決 定。ASE 光源並非由共振腔所產生的，光源的極化與相位都是隨 機的，是一種非同調光源，所以沒有干涉雜訊問題〔28〕。為了得 到更高的傳輸容量，可以減少每個波道的頻寬和波道間距，但太
窄的頻寬會使得每個波道的功率變小，而劣化系統的信號雜訊 比，但光源的頻寬太寬在光纖中傳輸時容易產生色散(dispersion) 作用。而太窄的波道間距，因為光元件的隔離度不理想或光纖傳 輸時的非線性效應造成波道間彼此互相干擾的情形，會有波道串 音(crosstalk)現象產生，會使得系統的功率罰損(power penalty)增 加，而劣化系統的性能。為了減低波道串音的影響，一般都使波 道間距至少大於三倍的波道頻寬〔27〕。
可以用在頻譜分割系統的光源有 LED、SLD 和 ASE 光源等。
在 1988 年，有人使用 LED 為頻譜分割系統的光源，分割為四個 波道，每個波道以2 Mb/s 速率傳輸，使用 SMF 可傳輸 2.2 km〔25〕。 因 LED 的輸出功率不足，只適合應用在區域網路(local area network, LAN)中。在 1997 年，有人將 LED 分割成八個波道，每 個波道以50 Mb/s 傳輸，使用 SMF 可以傳輸 16 km〔29〕。SLD 的 輸出功率比 LED 高，可傳輸更快速率和距離，在 1990 年有人使 用SLD 為光源，分割為三個波道，每個波道以 140 Mb/s 速率傳輸，
使用SMF 可傳輸 19.5 km，而在有使用 EDFA 的情況下可傳輸 110 km〔30〕。將 ASE 光源應用在頻譜分割系統中，因光源具有較大 的輸出功率，可以增加每個波道的傳輸速率和傳輸距離。在 1995 年有人使用ASE 光源分割出單一波道，每個波道以 2.5 Gb/s 速率 傳輸，有加入 EDFA 的情況下在色散移位光纖(dispersion-shifted fiber, DSF)中可傳輸 200 km。1999 年有人將 ASE 光源分割成四個 波道，每個波道以 2.5 Gb/s 傳輸，在加入 EDFA 和使用頻道內四 波混合(inter-channel four wave mixing, IC-FWM)技術，在 DSF 中可 傳輸240 km〔28,31〕。
要作為頻譜分割系統的光源必須具有寬的譜線寬度、高的輸 出功率和平坦的頻譜三種特性。寬的線寬可以使系統分割出更多 的波道，增加系統傳輸容量，高的輸出功率可使每個被分割出來 的波道具有較高的功率位準，可提升每個波道的 SNR，而光源頻 譜的平坦度會影響頻譜的可分割區域和每個被分割波道間的功率 位準差值。ASE 光源因為全部都是光纖結構，可以很容易耦合進
傳輸光纖中，而 LED 和 SLD 光源不易耦合進傳輸光纖中，耦合效 率較差。