討論 - 以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架

第三章以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架

3.4 討論

我們提出並在實驗上的展示一個半導體光放大器(SOA)為基底並以 Sagnac 迴路作為反射鏡的環狀光纖雷射結構，此雷射可以達到單一頻率的輸出和節省功率。

當一個可調的帶通濾波器在增益的共振腔內，雷射的波長可以被調變在 SOA 的有效放大的增益區域內。當 SOA 以 80mA 的電流驅動，所提出的雷射可調變的範圍在 1521.0 nm 和 1563.0 nm 之間，並分別有最大和最小的輸出功率 4.8dBm 和-1.1dBm，並且 SMSR 可以被觀察到在 36.8dB 到 49.0dB 之間在調變範圍間。

我們也實驗和分析了此架構的輸出穩定性在功率和波長上面。

圖 3-1 SOA 為基底並以 Sagnac 迴路作為反射鏡的光纖環狀雷射架構

Wavelength (nm)

1520 1530 1540 1550 1560

P ower (dB m)

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

SOA ASE

圖 3-2 彩色的線為所提出的光纖雷射輸出頻譜當波長的調變範圍從 1521nm 到 1563nm，黑色的線是 SOA 的 ASE 頻譜圖。

Wavelength (nm)

1520 1530 1540 1550 1560

P ower (dB m)

Bias current (mA)

第四章

使用雙反射式結構單一縱模且波長可調的摻鉺光纖雷射

4.1 實驗簡介

在這實驗中，我們提出並顯示一個雙反射式結構的線性共振腔摻鉺光纖 (Erbium-doped Fiber ； EDF) 雷射藉由使用可飽和吸收為基底的濾波 (Saturable–absorbor-based；SAB) 以達到單一縱模的雷射輸出。

穩定輸出和寬的可調波長範圍單一縱模的光纖雷射是具有吸引力的光源在波長分割多工的通訊、光學的測試和光纖偵測等等的系統應用上。通常使用可調式的帶通濾波器(TBF)、光纖 Fabry-Perot 可調濾波器(FFP-TF)，和光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating；FBG)在環狀的雷射共振腔內去產生可調波長的雷射輸出已經被討論和提出[39-41]。但是由於模態的跳躍(Mode-hopping)和增益競爭(Gain

competition)的效應使得環狀摻鉺光纖雷射的雷射波長的穩定性較不足。為了克服這個議題，這種不同的方法被提出去達到穩定的單一縱模(SLM)的輸出。運用一個較短的不給予偏壓電流的摻鉺光纖放大器在光纖迴圈內當作可飽和吸收為基底的濾波器(SAB)去達成單一縱模輸出已經被研究並討論[42-46]。

在這個實驗中，我們提出和展示一個雙反射式結構的摻鉺光纖雷射以線性共振腔加上被動式的 SAB 濾波器和可調的帶通濾波器(TBF)去達到可調波長的單一縱模的雷射輸出。

4.2 實驗架構與操作原理

圖 4-1 顯示雙反射式結構摻鉺光纖雷射的實驗架構。此架構包含一個摻鉺光纖放大器(EDFA)、一個可調式帶通濾波器(TBF)、一個 12 且 50:50 光學耦合器

(OCP)、一個光纖反射鏡(Fiber Mirror；FM)(在 C-band 有 99.1 %的反射率)、一個極化狀態控制器(PC)、一個光學循環器(Optical Circulator；OC)和一個 1.5m 長度不以偏壓電流激發的摻鉺光纖。在這裡，光纖反射鏡和光循環器的環狀結構用來當作摻鉺光纖雷射的兩個反射鏡。摻鉺光纖放大器，內部由一個光學的隔離器 (Optical Isolator；ISO)、一個 980nm 激發雷射二極體和一段 10m 長的摻鉺光纖 (Fibercore DC-1550F 生產)被運用來當作摻鉺光纖雷射的增益介質。此摻鉺光纖雷射共振腔量測起來的總長度大約有 18m 長。

未被偏壓電流激發的摻鉺雷射被當作 SAB 濾波器來使用去濾出單一縱模的雷射波長。極化狀態控制器(PC)用來控制極化的狀態去維持最大的輸出功率。

可調式帶通濾波器(TBF)的 3dB 頻寬和可調範圍分別是 0.4nm 和 30nm (1530.0nm 到 1560nm)。帶通式濾波器(TBF)在此摻鉺光纖雷射共振腔內用以壓制

放大的自發性輻射(Amplified Spontaneous Emission；ASE)和波長的調變。

在量測方面，輸出波長用光譜分析儀 ( OSA)量測，解析度設定在 0.05nm，輸出功率由光學功率量測儀(PM)量測。

圖 4-3 顯示了輸出功率與量測到的信噪比(Signal to Noise Ratio ;SNR)針對不同雷射波長在可調的範圍 1530nm 到 1562nm 之間，當激發的功率在 42mW。

如圖 4-3 所示，觀測到的輸出功率在-13.7dBm 和-7.6dBm 之間，信噪比則在 35.4dB 和 47.9dB 之間。值得注意的是，當我們將波長漸漸的往較高的波長調動，可得

32 variation ;)並控制在 0.05nm 以內並且功率的擾動(Power fluctuation ;P)也控制

在 0.3dB 以內。更甚的是，經過兩小時的觀察以後，所提出的摻鉺光纖雷射仍維持穩定的輸出。

此外，圖 4-5 的插圖是所提出的摻鉺光纖雷射延遲的自零差(Self-homodyne) 頻譜圖，以被動 SAB 濾波器在波長 1550nm 當輸出功率在-9.6dBm。所以，量測此光學的迴路由 1GHz 的 3dB 頻寬光偵測器 (Photodetector ； PD) 和一個 Mach-Zehnder 干涉儀以 25km 長的標準單模光纖(Single-mode Fiber；SMF)所組成。

可以清楚的看見沒有拍打噪音 (Beating Noise)在相對強度與噪音比 (Relative

Intensity to Noise; RIN)的頻譜在提出的摻鉺光纖雷射上。因此，所提出的光纖雷射表現出單一的頻率震盪可以被達成在觀測的頻寬為 500 MHz 時，顯示於圖 4-5 的插圖。

4.4 討論

我們已經提出並實驗展示出一個雙反射式結構線性共振腔的摻鉺光纖雷射並運用一個被動式飽和吸收為基底(SAB)的濾波器和帶通濾波器(TBF)來達到單一模態(SLM)的雷射輸出並且可以調變波長。

我們可以得到波長的調變範圍從 1530nm 到 1562nm 之間，並且輸出功率在

-13.7dBm 到-7.6dBm 之間，SNR 分別為 35.4dB 和 47.9dB/0.05nm。並且當我們將雷射波長往上逐步調整，可得到輸出功率和 OSNR 的增加在整個

C-band(1530nm 到 1560 nm)，

由於雙通的設計在此摻鉺光纖雷射架構中，鉺離子 Er⁺ 增益被壓制並往較高波長平移。

此外，輸出功率與波長的變化可以被量測到分在 0.3dB 和 0.05nm 之內在所提出的摻鉺光纖雷射架構中。

34 CP : 12 optical coupler

FM : fiber mirror LD : laser diode OC : optical circulator

PC : polarization controller

WCP : 980/1550nm WDM coupler EDF : erbium-doped fiber

TBF : tunable bandpass filter

圖 4-2 雙反射式結構摻鉺光纖雷射的輸出光譜在波長範圍從 1530nm 到 1562nm 之間，當 980nm 雷射二極體激發功率為 42mw。點線為放大的自發輻射(ASE)的光譜在原本的摻鉺光纖放大器 EDFA 在還未使用所提出的雷射架構之前。

Wavelength (nm)

1520 1530 1540 1550 1560 1570

Po w e r ( d Bm )

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

ASE Spectrum

Wavelegth (nm)

1525 1533 1541 1549 1557 1565

Po we r (d Bm )

O pt ical Sign al to No ise Ra tio (d B)

Pumping Power (mW)

15 20 25 30 35 40 45

Pow er (dBm)

-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8

圖 4-4 輸出功率與信噪比(SNR)在不同的激發功率在所提出的摻鉺光纖雷射的量測，當雷射波長設定在 1550nm。

圖 4-5 功率與波長輸出的穩定度在觀測時間超過 30 分鐘，當雷射波長在

1550.0nm 且功率-9.6dBm 為初始。插圖是所提出摻鉺光纖雷射以被動 SAB 濾波器構成的延遲自零差頻譜圖。

第五章

利用Saganc迴路並輸出穩定連續的連續波之光學注入波長可調半導體雷射架構

5.1 實驗簡介

我們提出和實驗上研究出穩定與連續且波長可調的光纖雷射架構，藉由使用自行注入(Self-injected) Fabry-Perot 雷射二極體(FP-LD)和 Saganc 迴路的方法。

現今光纖通訊普遍來說操作波長區域大約在 1530nm 到 1560nm(C-band)之間。

實際上光纖放大器在此波長區域大多使用摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber

amplifiers; EDFAs)。但是由於不斷增加的資訊頻寬的需求造成 C-band 在波長分割多工(Wavelength Division Multiplexing；WDM)系統的飽和[47-48]。摻鉺光纖增益頻寬的限制使得新的放大器元件的發展以提供需求。

在這實驗中，我們提出並實驗研究出一個穩定且連續的波長可調的雷射架構以 Saganc 迴路並藉由使用自行注入(Self-injected) Fabry-Perot 雷射二極體(FP-LD)。

所提出的雷射架構波長可以在 1526.0nm 到 1549.75nm 間以 1.30nm 為一調整步階來調變並以單一模態(Single-Longitudinal-Mode；SLM)輸出。

如圖 5-1 所示。在此所使用的多重模態(Multi-Longitudinal-Mode; MLM) FP-LD 模態間距和臨界電流分別是 1.30nm 和 9.1mA。帶通濾波器(TBF)的波長可調範圍為

30nm(從 1530nm 到 1560nm)，而嵌入損耗(Insertion Loss)為 6dB。而此實驗結果的量測運用光譜儀(OSA)以 0.05nm 的解析度和功率儀(PM)來量測。

住邊模(Side-modes)的產生以達成單一頻率的輸出。

5.3 實驗結果與分析

所提出的雷射架構的輸出光譜也被顯示在圖 5-2。觀測點為圖 5-1 中的”a”點在波長的調變範圍 1526.20 nm 到 1549.75nm 中，以波長的調整步階為 1.3nm 的單一模態輸出。所提出之雷射的波長範圍與所使用的 FP-LD 有效的增益放大相關。

圖 5-3 表示此雷射架構在不同雷射波長從 1526.20nm 到 1549.75 nm 之間輸出功率和邊模壓制比(Side-Mode Suppression Ratios；SMSRs)的輸出曲線。在此，

被觀察到最大與最小的輸出功率為

7.4 dBm 和 17.0 dBm 分別在波長

1540.50nm 和 1526.20 nm，且相對應的 SMSR 分別為 52.0 dB 和 52.8 dB/0.05 nm。

如圖 5-3 所示，我們可以觀察到一個功率的掉落在16.7 dBm 的輸出功率在

1537.90 nm 的時候。而且我們得到一個 SMSR 曲線的掉落點在 1535.25nm 時。

這是因為 FL-LD 的較大的增益在 1537.90 nm 附近(由圖 5-2 可見)，且邊模在

1535.25 nm 附近的時候不容易被壓制。除此之外，最大和最小的 SMSRs 為 57.7dB 和 40.1 dB/0.05 nm 被測量到分別在波長 1547.05nm 和 1535.25 nm 的時候。

在這實驗中，為了瞭解和研究輸出功率和波長的穩定性在所提出的波長可調雷射，進行在一段短期時間的觀察。在此雷射波長被設定在 1540.50 nm 的時候且輸出功率為7.4 dBm 為初始的輸出穩定度的量測。在經過 20 分鐘的觀察後，

最大的輸出功率變化和波長的擾動在所提出的雷射被量測到分別在 0.7 dB 和

0.02 nm 以內，如圖 5-4 所示。更進一步，經過一小時候的觀察時間，量測到的輸出的穩定度在功率和波長上仍然維持。根據量測的結果，所提出的雷射顯示出一個好的輸出表現。

為了去達到連續的波長調變，我們可以控制和調整 FP-LD 在這架構下不同溫度下的波長平移。因此，圖 5-5 顯示原本的 MLM FP-LD 輸出中心波長對不同溫度下從 15 C 到 25 C 輸出中心波長的變化，當我們將 FP-LD 操作的電流設定在 28mA。我們可以觀察到最大的波長平移有 1.1nm 當溫度的差異達到 10C 時。

因此，我們可以藉由調整 FP-LD 的溫到來達到連續波長的調變。

5.4 討論

總結來說，我們可以在實驗上研究一個穩定且連續的波長可調變的雷射架構藉由使用以 Saganc 迴路架構自行注入(Self-injected)的 FP-LD。在這個提出的架構中，單一模態(SLM)雷射波長的調整範圍在 1526.20nm 到 1549.75nm 之間，以

1.30nm 為一個調整步階。在此，最大和最小的輸出功率是-7.4 和 -17dBm，相對應的邊模壓制比(SMSR)分別為 52dB 和 52.8dB/0.05nm。在這實驗中，去達到連續的波長調變，我們可以藉由調整 FP-LD 的溫度使得波長的平移在這個雷射架構中。更進一步，SLM 輸出功率和波長的穩定度在此波長可調的雷射架構中，

已經被研究和探討。

圖 5-1 所提出的可調波長雷射實驗架構圖

PC

CP TBF

FP-LD

Saganc Loop

CP : 2×2 Optical Coupler PC : Polarization Controller TBF : Tunable Bandpass Filter FP-LD : Fabry-Perot Laser Diode

“a”

圖 5-2 純粹 FP-LD 的輸出光譜(灰線) 和所提出的雷射架構的輸出光譜圖在波長範圍從 1526.20 到 1549.75 nm 以 1.30nm 為一個調整的步階。

Wavelength (nm)

1523 1528 1533 1538 1543 1548 1553

Pow er (dBm)

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

FP-LD : Free-Run

tuning range

圖 5-3 雷射架構在不同雷射波長在 1526.20nm 到 1549.75 nm 範圍之間的輸出功率和邊模壓制比(SMSRs)的輸出曲線。

Wavelength (nm)

1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555

Po w er (d Bm)

-20 -10 0 10

Side- Mo de Sup pr ess ion Ra ti o ( dB )

圖 5-5 原本的 MLM FP-LD 輸出中心波長對不同溫度從 15 C 到 25 C，

並將 FP-LD 的操作電流設定在 28mA。

Temperature (^oC)

14 16 18 20 22 24 26

Wav elength ( nm)

1537.5 1538.0 1538.5 1539.0 1539.5

第六章

藉由光學注入Fabry-Perot雷射二極體和反射式半導體光放大器之單一頻率和穩定的波長可調雷射並可行長距離的光纖

傳輸

6.1 實驗簡介

穩定波長可調的摻鉺光纖環狀雷射在波長分割多工(Wavelength Division Multiplexing；WDM)通訊系統、光學測試和光纖偵測等等應用。通常包括增益媒介和頻率選擇在共振腔內。通常摻鉺光纖雷射放大器(EDFA)和半導體光放大器

在文檔中穩定且波長可調的光纖雷射之研究 (頁 33-0)

討論

第三章 以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架

3.4 討論

Wavelength (nm)

P ower (dB m)

Wavelength (nm)

P ower (dB m)

Bias current (mA)

第四章

使用雙反射式結構單一縱模且波長可調的摻鉺光纖雷射

4.1 實驗簡介

4.2 實驗架構與操作原理

4.4 討論

Wavelength (nm)

Po w e r ( d Bm )

ASE Spectrum

Wavelegth (nm)

Po we r (d Bm )

O pt ical Sign al to No ise Ra tio (d B)

Pumping Power (mW)

Pow er (dBm)

第五章

利用Saganc迴路並輸出穩定連續的連續波之光學注入波長可 調半導體雷射架構

5.1 實驗簡介

5.3 實驗結果與分析

7.4 dBm 和 17.0 dBm 分 別 在 波 長

5.4 討論

PC

CP TBF

FP-LD

Saganc Loop

CP : 2×2 Optical Coupler PC : Polarization Controller TBF : Tunable Bandpass Filter FP-LD : Fabry-Perot Laser Diode

“a”

Wavelength (nm)

Pow er (dBm)

Po w er (d Bm)

Side- Mo de Sup pr ess ion Ra ti o ( dB )

Wav elength ( nm)

第六章

藉由光學注入Fabry-Perot雷射二極體和反射式半導體光放大 器之單一頻率和穩定的波長可調雷射並可行長距離的光纖

傳輸

6.1 實驗簡介

第三章以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架

利用Saganc迴路並輸出穩定連續的連續波之光學注入波長可調半導體雷射架構

7.4 dBm 和 17.0 dBm 分別在波長

藉由光學注入Fabry-Perot雷射二極體和反射式半導體光放大器之單一頻率和穩定的波長可調雷射並可行長距離的光纖