1.1.1 寬頻光纖放大器
隨著光多波分工(WDM)技術的長足進展，大大提升了系統傳輸 量。也正因為如此，在傳輸途中的重要元件：線上光放大器(in-line Amps)也面臨比以往更加嚴謹的審視；即其適用的頻寬，使用的靈活 度與價格是否合理的種種因素都有待於進一步的改進整合以趨完 善。然而，在比較常被使用的 C 頻段與 L 頻段的放大器或是兩者混 合的模組(1530nm~1600nm)也只能到達每秒鐘幾個泰拉位元
(terabits)，所以若要配合成長迅速的頻寬需求，必定要朝其他波段做 發展，且與現有的波段放大技術整合[1]。以光纖放大器來說，一般 以矽材製程的單模光纖裡光在 1450nm 到 1650nm 之間有著非常小的 損耗(0.2dB/km)，要如何廣泛使用到此一寬廣的波段將是光纖通訊重 要發展方向之一，當然也必須要有適用的光放大器做配合來實現此一 目標。
在光纖通訊最初期幾年的發展下，C 頻段的放大機制已經研究的 非常成熟，儘管其放大率以及躁聲指數(NF)的表現令人滿意，但其可 用的放大頻寬僅僅約是 30nm，不得不再往其他頻段研究，以摻鉺光 纖為主架構的光放大器(EDFA)而言大概可以分成兩個不同的發展方 向:1.摻入其它元素或改變光纖內部結構。 2.改變一般摻鉺光纖的長 度及不同泵激波長。舉第一點為例，如摻入碲(telluride)元素將增益頻 譜移到 L 頻段；或摻入銩(thulium)元素將增益頻譜平移到 S 頻段，使 用的泵激也可以因應其吸收放射的能帶的改變而作其他較好的選
擇。其基本原理都是藉由摻雜元素的加入，使得原本沒有的頻帶被創 造出來，也因此使原本光放大器的頻段改變[2] [3]。而改變摻耳光纖 內部結構的效果與摻雜其他元素類似，旨在利用創造出來的光纖特殊 結構壓抑原本的增益最大值(加大其色散)，使其增益平移到另一個頻 段[4]。 而第二個方向的研究則是架構在原有的摻鉺光纖基本物理原 則上，藉由增益通道長度變長來增加長波長居量反轉以延長增益頻譜 到 L 頻段[5][6][7][8]，或者直接改變泵激的波長(非 980nm 與
1480nm)，增加長波長粒子的轉換效率也會有同樣效果[9]。對 S 頻段 放大的設計來說大多的研究是使用第一種方法來達成[10]，因一般摻 鉺光纖在其頻段的吸收與輻射的條件不利於使用第二種方式將增益 延伸到 S 頻段。而對 L 頻段來說，以第一種方式或第二種方式來達 到其頻域放大的研究都非常的多。
除了上述對單一波段放大器的研究之外，也有很多其他寬頻的光 纖放大器，如建構在光纖非線性現象上的光放大器可以藉由不同的泵 激光源達到寬頻的放大頻域，舉一般最為所知道的拉曼光放大器 (Raman Amp)來說，藉由打入不同的泵激波長就可以在比泵激波長約 大 100nm 的波長處有最好的放大增益效果，理論上藉由變化不同的 泵激頻率級可以涵蓋任何波段，以目前泵激光源的技術增益頻寬可以 超過 700nm(1000nm~1700nm)，比起摻鉺光纖放大器也有較好的增益 平坦度(約 1dB) [11] [12]。架構在摻鉺光纖上的寬頻放大器，目前以 使用分波器做平行的(分波段的)放大架構被公認為最快速可行的方 法[13][14]，其優點為架構中使用的為一般摻鉺光纖與最常被使用的 泵激光源，兩者在技術方面已經相當的成熟，取得上不會有大問題，
且共通性高使得元件使用彈性大增，舉例而言，在架構中可以利用巧
思 使 利 用 同 一 光 源 但 不 同 方 向 的 放 大 器 自 發 輻 射 (backward and forward ASE)個別對不同波段的放大都有其功能[15]。另外，其他的 光放大器如：半導體光放大器(SOA)或摻鉺波導光放大器(EDWA)在 近年來的發展之下，在頻寬，增益值與躁聲指數逐漸令人滿意之下，
可當成主流單波段放大器或在混合式寬頻光放大器裡出現的可能性 都將大大的增加。
1.1.2 增益箝制技術
在 WDM 系統裡，除了光放大頻域要寬之外，增益箝制的議題也 相當的重要。由於摻鉺光纖在本質上有著較長的粒子激發態轉變到基 態時間，所以隨著總通道數的增加或減少(總功率變化)，單一波長的 增益也會有敏感的變動，而這對訊號傳送錯誤率(bit error rate)會有一 定程度的影響。近 10 年來摻鉺光纖放大器中常用來做增益箝制的方 法大概可以分成三類：1.利用光電回授在光泵激源上做補償。 2.額外 加入一補償光信號。 3.使用光迴路做增益的補償。 第一個實行的方 法很直觀，即是在查覺輸出總功率有變化時，賦予一回授機制在放大 器泵激光源的電性控制上，利用訊號增益隨著泵激功率的改變而改變 來達到增益箝制[16]，第二種類的方法則是利用外加的光源如：DFB 或 Fabry-Perot 雷射，由光耦合器或旋波器導入至訊號光路，藉之固 定不同波段的居量反轉數(population inversion of active ions)，如此單 一波長的增益僅與其波段吸收跟輻射的淨值成正比，而與輸入波長的 功率大小無關來達到箝制，由 Fabry-Perot 雷射注入甚至可以達到頻 譜增益平坦的效果[17]。而第三種方法原理上是與第二種一樣，是利 用放大器自發輻射(ASE)配合可調光濾波器(TBF)或布拉格光纖光柵 (FBGs) 或單純只是在輸入光源與摻鉺光纖間加入一光纖光柵或光反
射鏡形成一共振腔迴路雷射[18][19][20]，在不需要額外加入補償光源 的情形下來達到與方法二同樣的箝制效果。在方法二與三中因為牽涉 到非訊號光源在光路中與訊號一起傳輸的機制，在躁聲指數上會有不 同的影響，在設計原則上是要將系統中訊號的放大率與躁聲指數的表 現與增益箝制的效果一並列入考量[21]，如此的箝制才有其意義。