總結 - 原理 - 不同頻段的摻鉺光纖放大器之研究

第二章原理

3.3 總結

在此章中，我們先介紹一個新的 C+L 頻段的混合式放大器，成功的將半導體光放大器跟摻鉺光纖放大器作一結合，其在 1540nm 到 1600 之間已經被證實有著良好的放大效果與可接受的躁聲指數。再來我們介紹使用摻鉺特殊結構光纖構成的 S 頻段放大器，其效能在 1480nm 到 1520nm 之間有著平均大於 23dB 的增益(小訊號時)。最後，

我們在實驗上結合了此三個頻段的放大器於一平行架構中，實驗數據證明，此架構在 1480nm 到 1600nm 之間有著良好的放大效能(頻寬 120nm)，小訊號輸(-30dBm)入的增益峰值在 1504nm，1532nm，1568nm 處分別為 32.8dB，34.7dB 與 38.1dB，大訊號輸入(0dBm)的增益值則較為平坦許多。此外，此寬頻放大器的自發性輻射尚可當作一寬頻光源使用(1480nm~1600nm)。

E D F O IS

W : 1480/1550 n m W D M C ou pler S O A : S emiconductor O ptical A m plifier O IS : O ptical Isolator

E D F : E rbiu m -D oped F iber

Input SO A O utput

1480 nm P u m p L D

圖 3.1 混合式 C 加 L 頻段放大器架構

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

SOA: Pin = 0 dBm SOA: Pin = -30 dBm EDF(44m): Pin = 0 dBm EDF(44m): Pin = -30 dBm

圖 3.2(a) C+L 頻段雙級架構之第一與第二級放大器個別的增益頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure ( d B)

0 10 20 30 40 50

G: Pin = 0 dBm G: Pin = -30 dBm NF: Pin = 0 dBm NF: Pin = -30 dBm ASE Spectrum

Wavelength (nm)

1520 1560 1600 1640

Power Level (dBm)

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5

圖 3.2(b) 雙級放大器串連的增益與躁聲指數頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

G

W1 : 980/1550 nm WDM Coupler W2 : 1480/1550 nm WDM Coupler SOA : Semiconductor Optical Amplifier OIS : Optical Isolator

EDF : Erbium-Doped Fiber

Input SOA Output

1480 nm

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

EDF(10m): Pin = 0 dBm EDF(10m): Pin = -30 dBm EDF(34m): Pin = 0 dBm EDF(34m): Pin = -30 dBm

圖 3.5 三級 C+L 架構第一與第三級放大器個別的增益頻譜

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

50

G: Pin = 0 dBm

G: Pin = -30 dBm NF: Pin = 0 dBm NF: Pin = -30 dBm ASE Spectrum

Wavelength (nm)

1520 1560 1600 1640

Power Level (dBm)

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5

圖 3.6 改良式 C+L 頻段放大器增益與躁聲指數的表現

980-nm Pump Laser

C- plus L-Bands EDFA Module

1 2 2 W2 1

1470 1490 1510 1530

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (d B)

S- To L-Bands ASE

Wavelength (nm) 1450 1490 1530 1570 1610

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1460 1480 1500 1520 1 540 1560 1580 1600 1620 0

5 10 15 20 25 30 35 40

Pin = 0 dBm Pin = -15 dBm Pin = -30 dBm

Wavelength (nm) 1470 1500 1530 1560 1590

Insertion Loss (dB)

-2 2 6 10 14

Port 2 Port 3

Noise Figure (dB)

圖 3.10(b) 當輸入訊號為 0，-15 與-30dBm 時寬頻放大器的躁聲指數表現

第四章

增益箝制的技術於光纖放大器上的探討

4.1 簡述

在波長區分多工系統裡，訊號的增益的增益穩定度表現相當的重要，因此增益箝制的存在變的相當的重要。如 2.5 章節中敘述，迴路光增益箝制是目前使用中最經濟且簡單的架構，使用各式不同的光濾波器及光纖光柵來造成雷射迴路的產生則是架構的精神所在。在同質分布(homogeneously broadened)的介質材料，如摻鉺光纖放大器中，

雷射的產生可以固定光纖裡總合的粒子反轉數，因此各波長的只和其吸收與輻射的橫截面積有關，而不會是輸入訊號強的函數。在此章節裡，我們將以增益箝制技術應用在先前提出的放大器結構上，證明除了增益大小與躁聲指數堪用之外，也有著增益穩定的效果。最後，我們也將其技術運用在摻鉺光波導放大器(EDWA)上，更證明此技術的廣泛適用性。

4.2 混合式 C+L 頻段放大器增益箝制

在上一章節中所提出的平行 S+C+L 的寬頻摻鉺光纖放大器中，S 頻段的增益箝制已經被驗證有其效果[10]。而圖 4.1 則為在 3.1 小節中提出來的混合式 C+L 頻段放大器的增益箝制架構，架構中使用的迴路雷射的形成方向與傳輸訊號相反，如同 2.5 小節中提到的，此種架構會使得迴路雷射在訊號入口處有著最大的強度，如此減低了訊號在光纖前端的放大率，躁聲指數也相對提高。針對此問題，我們特別在輸出端使用一旋波器(OC)，讓迴路雷射光源不在輸出出現，如此可以降低躁聲指數，量測時也可以不用避開迴路雷射波長而造成訊號使用的不連續。上圖迴路中的可調帶通光濾波器(TBF)調整在 1560nm

來產生飽和訊號作增益箝制用。圖 4.2 為選用圖 4.1 中的光耦合器(C) 耦光比例分別為 95:5，90:10，70:30，50:50 時所量測到增益與躁聲指數對輸入光訊號的頻譜圖，圖中增益箝制的效果在光耦合器比例選擇為 95:5 時就可以觀察出來，一般來說讓架構形成迴路雷射會大大降低躁聲指數的表現，然而由於上述所說的，輸出端並不會受到迴路雷射的影響，且此架構前級為低躁聲指數的 C 頻段放大器，所以可以從結果看出，躁聲指數的表現仍然非常的理想。使用 90:10 的光耦合量當回授時，可以由圖中看出，訊號輸入到-25dBm 時期增益都還大概維持在一定值。整體來說，加上了增益架構之後輸入訊號從-45dBm 到-25dBm 之間有著平坦且增益大於 32dB 的效能。而圖 4.3 為使用 10%光回授量架構所得到的增益與躁聲指數頻譜，輸入訊號分別為 -25 與-45dBm，由圖中可看出，最大的增益發生在 1562nm 處，其增益為 41.7dB(躁聲指數為 5.6dB)，且可以看出，在-45dBm 與-25dBm 輸入時，兩者的增益頻譜(1530nm~1610nm)有著非常小的變化(小於 2.4dB)，可以明顯的看出增益箝制的效能。

4.3 增益箝制在摻鉺光波導放大器的應用

4.3.1 摻鉺光波導放大器簡介

隨著光傳送網不斷向邊緣網領域延伸，各類新的低成本光器件將不斷湧現並將在這些領域發揮重要的作用。網路營運商需要一種能在城域網和接入網特定節點上按需給出特定增益量的放大器，這種放大器必須做到價格低廉、維護成本最少、充分利用現有的光纖，並能隨著城域網的發展而擴容。2001 年出現的商用化摻鉺波導光放大器 (EDWA)就是其中一種，是適合於城域網應用的新型集成光器件產品，其優勢在於它的緊湊性、可靠性、靈活性和較低的製造成本。相對於 EDFA，EDWA 在尺寸、增益和成本上都有所下降，這樣 EDWA 就可以根據需要在網路的多個地點安裝。由於結構緊湊、尺寸小巧，

很適合於有限空間內的靈活應用，相對於半導體光放大器，EDWA 具有低雜訊指數、很小的增益偏振相關性以及不存在通道間的串擾等一些固有優勢。

EDWA 是由嵌入摻鉺玻璃基片上的波導組成的，選用合適的波導

材料，只需使用數釐米長高濃度的摻鉺增益介質，就可以得到常規摻鉺光纖幾十倍的單位長度光增益。由於單純增加鉺離子濃度會降低鉺離子的轉換效率，因此，在製造過程中必須要精確地微調並保持平衡才能製造出所需增益的光波導放大器。研究表明，每釐米獲得 2 到 3dB 的增益是較好的平衡點，根據不同的波導材料，一般採用 5 到 10 釐米長的摻鉺波導，就可以獲得可靠、高效的 EDWA。其不僅可以提供單波長而且可以提供多波長的光放大，並且可採用雙源雙向泵浦的方式以提高各通道的增益；可在同一個基片上集成多個 EDWA，

形成陣列型的光放大器，大大縮小體積，並可方便地實現 DWDM 系

統中多波長增益的動態調節。

4.3.2 摻鉺光波導放大器增益箝制

同樣的，我們將用對 S 頻段與 C+L 頻段放大器作增益箝制相同的方法，應用在摻鉺光波導放大器上。圖 4.4 為摻鉺光波導放大器的增益箝制架構。因其模組裡包含了兩個前後端的阻波器，所以我們應用與前面 S 頻段增益箝制相同的架構。其迴路原件包括兩個 1X2 的光耦合器，一個固定其分光比例為 90:10(C1)，另外一個則是選用 90:10，80:20，70:30，50:50，的分光器(C2)，且使用可調雷射來測試其效能。圖 4.5 為輸入訊號為 0，-15 與-35dBm 時摻鉺光波導放大器的增益與躁聲指數表現。圖 4.4 中的可調帶通光濾波器(TBF)有著很寬的可調範圍，在此架構中，我們將使用其來濾出三種不同的波長的光來當飽和光源，並觀察不同的效能表現。下圖 4.5 為摻鉺光波導放大器在尚未做增益箝制時的增益與躁聲指數頻譜。

其增益與躁聲指數的表現都預 C 頻段摻鉺光纖放大器類似，擁有高的小訊號增益與優優良的躁聲指數表現。下頁圖 4.6 為選用光耦合器 C2 的比例為 70:30 產生迴路雷射後在輸出端所量得的放大器自發性輻射，從圖中可以觀察當光濾波器調再 1530nm 時，迴路雷射的效果並不明顯，而當濾波在 1540nm 與 1550nm 時，迴路雷射的現象則比較明顯，但 1530nm 與 1550nm 除了濾波器所產生的光頻段外，

其他波段的放大器自發輻射與沒有接增益箝制迴路時沒有太大的差別。

基於 2.5 小節中的原理，我們選擇以 1540nm 與 1550nm 的迴路雷射作為此架構的飽和訊號，而非不明顯的 1530nm 訊號。圖 4.7(a)

與 4.7(b)分別為選用 1540nm 與 1550nm 當作飽和訊號時的不同回授度增益箝制效果，測試訊號為 1548nm。我們可以從兩張圖中比較得知，當使用 1540nm 當飽和雷射訊耗時，在 C2 的比例為 70:30 時及可以看到其增益箝制效果，訊號在-40dBm 到-10dBm 左右，其增益值幾乎維持一定值在 11.5dB 左右。而選用 1550nm 當飽和雷射的架構，

則看不出來有因此架構的加入導致增益平坦的延伸。因此，在增益箝制的條件上除了要能清楚看到迴路雷射產生的之外，還要能使原本的放大器自發性輻射的輪廓有所改變才行，圖 4.6 中我們可以觀察到，

雖然使用 1550nm 的飽和雷射當架構可以在輸出端明顯的看到其訊號，但是放大自自發輻射卻沒有因此而改變，根據 2.5 小節中的原理，

如此並不能改變(固定)反轉粒子的分布，增益箝制的效果就無法呈現。

圖 4.8 為當 C2 比例為 70:30 時，濾波器選在 1540nm 所做得增益箝制，由其增益頻譜圖中可以看出在-15dBm~0dBm 之間的輸入，增益的變動小於 3dB ;比較圖 4.8 的結果，在同樣條件下，其增益擾動卻高達 10dB。與之前的 S 頻段與 C+L 頻段放大器的增益箝制作比較，摻鉺光波導放大器的增益箝制效果在還未特別接上箝制迴路時就已經在-40dBm 到-20dBm 的訊號輸入時有著近乎定值的增益(在 1548nm 約 18dB)。原因為摻鉺光波導放大器的放大途徑遠很短(約 5cm)，受到飽和效應的影響相對的也會減小。

EDF OIS

W₁: 980/1550 nm WDM Coupler W₂: 1480/1550 nm WDM Coupler C : Optical Coupler

OC : Optical Circulator

SOA : Semiconductor Optical Amplifier OIS : Optical Isolator

EDF : Erbium-Doped Fiber TBF : Tunable Bandpass Filter

SOA

Input Power (dBm)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

Gain / Noise Figure (dB)

1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610

Gain / Noise Figure (dB)

Output

Input w _A

980nm Pump LD

EDWA Module

C1 C2 F

TBF

A : Waveguide Gain Medium W : 980/1550 nm WDM Coupler F : Pump Kill Filter

C1 : Optical Coupler 90:10 C2 : Optical Coupler 90:10~50:50 TBF : Tunable Band Pass Filter

圖 4.4 摻鉺光波導放大器增益箝制架構

Wavelength (nm)

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590

Gain (dB)

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Power Level (dBm)

Wavelength (nm)

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Power Level (dBm)

Input Power (dBm)

-40 -30 -20 -10 0 10

Gain (dB)

0 5 10 15 20 25

Noise Figure (dB)

0 5 10 15 20 25 30 G: without feedback

G: 10/90 G: 20/80 G: 30/70 G: 50/50

NF: without feedback NF: 10/90

NF: 20/80 NF: 30/70

NF: 50/50

圖 4.7(b) 迴路雷射為 1550nm 時，由 1548nm 測試光所量得之增益箝制情形

Wavelength (nm)

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590

Gain (dB)

-5 0 5 10 15 20 25 30

Pin = 0 dBm Pin = -15 dBm Pin = -35 dBm

圖 4.8 迴路雷射選在 1540nm 且分光為 30:70 時的增益頻譜

第五章結論與展望

本論文一開始的精神在於架構出一簡單，經濟的摻鉺光纖放大器架構以配合頻寬漸長的光通訊系統。首先利用有著比較寬增益頻帶的

在文檔中不同頻段的摻鉺光纖放大器之研究 (頁 43-0)

總結

第二章 原理

3.3 總結

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure ( d B)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

G

Wavelength (nm)

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Gain (dB)

0 10 20 30 40 50

Wavelength (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain / Noise Figure (dB)

0 10 20 30 40

50

Gain (dB)

Wavelength (nm)

Gain (dB)

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Gain (d B)

Wavelength (nm)

1460 1480 1500 1520 1 540 1560 1580 1600 1620 0

5 10 15 20 25 30 35 40

Noise Figure (dB)

第四章

增益箝制的技術於光纖放大器上的探討

4.1 簡述

4.2 混合式 C+L 頻段放大器增益箝制

4.3 增益箝制在摻鉺光波導放大器的應用

Input Power (dBm)

Gain / Noise Figure (dB)

1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610

Gain / Noise Figure (dB)

第五章 結論與展望

第二章原理

第五章結論與展望