迴路型雷射

第一章緒論

1.2 迴路型雷射

光纖迴路型雷射的發展最早始於1961年[19]，當時所用的是摻釹光纖，核心直徑為300µm，該雷射可以產生工作波長為0.92µm、1.06 µm、1.35 µm，其中以 1.06 µm的泵激效率最高。1973 年當時問世不久的低損耗硅光纖被應用於光纖迴

第二章實驗原理

2.1 光放大器(Optical Amplifier)原理與介紹

光放大器是將光信號直接放到的一種儀器，不需要再將其轉換成電信號再放大，光放大器可以被想成是一個雷射但是沒有光學的共振腔或者是共振腔的回授被壓制住。光放大器在光學的通訊和雷射物理上扮演非常重要的腳色[23]。

在放大光信號這方面有許多不同的物理機制對應在不同主要幾種形式的光放大器。在摻雜光纖放大器(EDFA)和 Bulk 雷射中，受激發射(stimulated emission) 發生在放大器的增益介質使得進入的光得到放大。在半導體光放大器中(SOAs)，

電子與電洞的重組發生使得光信號放到。在拉曼放大器(Raman amplifiers)中，入射光之光子的拉曼散射在增益介質的晶格中產生與入射光同調的光子。以下將更詳細的介紹實驗所使用到的光放大器。

2.2 摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier; EDFA)

摻鉺光纖放大器(EDFA 即在信號通過的纖蕊中摻入了鉺離子 Er3⁺的光信號

石英光纖摻稀士元素(如 Nd、Er、Pr、Tm 等)後可構成多能級的激光系統，

在泵浦作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋後則構成光纖激光器。摻

Nd 光纖放大器的工作波長為 1060nm 及 1330nm，由於偏離光纖通信最佳宿口及其它一些原因，其發展及應用受到限制。EDFA 及 PDFA 的工作波長分別處於光纖通信的最低損耗(1550nm)及零色散波長(1300nm)窗口，TDFA 工作在 S 波段，

都非常適合於光纖通信系統應用。尤其是 EDFA，發展最為迅速，已實用化。

EDFA 的優點為：具有高放大增益、高輸出光功率、低雜訊指數、增益不受極化方向影響、適用於各種傳輸速率、適用於各種調變型態信號(Time-division

Multiplexing；TDM)、WDM、(Frequency-division Multiplexing；FDM)。

光纖放大器一般由五個基本部分組成，它們是摻鉺光纖（Erbium Doped Fiber;

EDF）

、

泵浦鐳射器（PUMP-LD）、光無源器件、控制單元和監控介面（通信介面）。其中光無源器件包括：分波多工器(Wavelength-division Multiplexer；WDM）、光隔離器（Isolator）、光纖連接器（Connector）和光耦合器（Coupler）。WDM

EDFA 的基本結構如圖 2-1 所示，它主要有源媒質(幾十米左右長的摻鉺石英光纖，苾徑 3-5μm，摻雜濃度(25-1000)×10^-6)、泵浦光源(980nmLD 或 1480nm LD)、

光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內可以在同一方向(同向

Er3⁺離子處於亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射，即 Er3⁺離子在亞穩態上短暫停留還沒有機會與光子相互作用，就會自發地從亞穩態躍遷到基態併發射出 1550nm 波段的光子，這種光子與信號光不同，它構成 EDFA 的噪聲。由於自發輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時也會得到放大，因此在 EDFA 的輸入光功率較低時，會產生較大的噪聲。

2.3 半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)

半導體光放大器是以半導體作為增益介質的一種放大器。這種放大器的結構與 Fabry-Perot 雷射二極體類似但有抗反射的設計元件在末端的介面。最近的設計包括抗反射的包覆層、傾斜的波導和窗口區域去降低末端介面的反射率到小於

0.001%。因為這使得共振腔的功率損失大於增益，去避免放大器變作雷射[23]。

半導體光放大器典型的是由 III-V 族元素所構成的半導體像是 GaAs/AlGaAS、

InP/InGaAs、InP/InGaAsP 和 InP/InAlGaAs，但是任何直接能隙的半導體像是 II-VI 足元素也是可以使用的。這樣的放大器經常使用在電信通訊系統的末端光纖上，

操作的波長在 850nm 到 1600nm 之間，並產生增益最高可到 30dB。

半導體光放大器擁有小的體積且以電激發，具有比 EDFA 成本更低的潛力並且可以嵌入在半導體雷射模組上等等。但是 SOA 之成效仍無法與 EDFA 相比，

SOA 有較高的雜訊、較低的增益、由於極化狀態的相依需要適當的調整、和較

高的非線性效應在快速的瞬時。SOA 主要的優勢在於其四種類型的非線性操作

(Cross gain modulation, Cross phase modulation, Wavelength conversion and Four wave mixing)。

而且 SOA 可以與低功率的雷射一起操作，此乃源自於超短的生存時間

(lifetime)十億分之一秒(nanosecond)在高能階時，所以增益可以對激發功率或者信號的功率改變作出快速的反應，並且改變的增益會造成相位的改變進而干擾到信號。這樣的非線性效應表現在光纖通訊上的應用是很嚴重的問題，然而，這也使得 SOA 增益的波長範圍不同於 EDFA 變的可能。

光學上的高非線性效應使得半導體光放大器具有吸引力在所有光學信號的處理像是全光學的切換開關 (All-optical Switching) 和波長轉換 (Wavelength

conversion)，在時脈的回復、信號的解多工和型式（Pattern）的辨認也已被深入研究。

2.4 Fabry-Perot 雷射二極體

Fabry–Perot 雷射二極體具有多模輸出的特性，且其中心波長的位置與其操 作電流大小相關。

2.4.1 Fabry-Perot 雷射二極體原理

雷射本是「光放大」的抽象觀念。後來因受激而放大的光以反射鏡使放大光回至原半導體中，此回饋作用的光振盪器﹙Light-wave Oscillator﹚，若未說明就

是指振盪器﹙已從 Laser 衍生出表示雷射振盪之動詞 lase，用於 Lasing diode 等﹚。雷射光的波長取決於雷射媒質的原子、分子等因素。但實際上因能階的擴展、能隙上能量差的擴展，可能以λ ₀為中心，以某種幅度進行受激放出光，其幅度在氣體為 0.005 nm，在固體為 1nm 到 10 nm。半導體中電子發光的幅度達 40 nm。

雷射振盪器需要光回饋於共振器，通常使用兩個反射鏡相向的 Fabry–Perot 型共振器，如圖 2-3 所示，讓光在這些反射鏡中間來回形成駐波，以與駐波相位相同的相位產生受激放射出雷射光。

假設雷射因受激放出光且傳播 1cm 時，所受的增益為 g﹙cm^-1﹚，反射鏡的反射率為 R₁、R₂且間隔為 L﹙cm﹚，則往復後的光強度與原來一樣為振盪條件﹙如圖 2-3 所示﹚，設此時的增益為 g_th，則

g_th =á_a +﹙1/2L﹚ln﹙1/R₁R₂﹚ (2.4-1)

半導體雷射會將自由電子吸收的光存在半導體媒質中，在 2.3-1 式中，半導體雷射的 á_a 約為 10 cm-1 、共振器長度 L 為 0.03 cm、折射率約為 3.5 以及

R₁與 R₂為 0.3，則 g_th 為 50cm^-1。另一方面，光的放大等於全損失﹙吸收損失與反射損失之和﹚，使雷射振盪的條件為當增益波長幅度內有共振波長的存在，

而前述可發光的幅度會比雷射光的幅度大得很多，假設圖 2-3 共振器中的折射率為 n，因媒質內光半波長為 ë/2n 的整數 q 倍為共振器長度 L，則共振波長與

14 著單一橫模﹙Single Transverse Mode﹚與單一縱模﹙Single Lateral Mode﹚，則多模雷射中第 i 個模的速率方程式﹙Rate Equation﹚表示為[33-34]

＜ ^λ_λ^λ (2.4-17)

^{λ λ} λ

(2.4-18)

其中

λmax = λ0+k (nth-n)/nth + i

λ_m = λ₀-mΔλ

nth = n0 +1/a p

a 與 n₀ 在不同溫度時值都會不同，因此 a 與 n₀ 在定溫度時在該溫度下為定值。

圖 2-1 摻鉺光纖雷射放大器(EDFA)架構圖

圖 2-2 鉺離子能帶圖

圖2-3 縱模的駐波

圖2-4 Fabry – Perot 雷射二極體

第三章

以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架構的光纖雷射

3.1 實驗簡介

在此實驗中，我們提出和研究一個以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調 Sagnac 迴路架構的光纖雷射。所提出的光纖雷射波長的可調範圍在 1521.0nm 和 1563nm 之間，並且超過二十分鐘的觀測其輸出穩定度表現在雷射輸出波長和輸出功率的變化。

3.2 實驗架構與操作原理

實驗的架構包含一個半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier；SOA)、

兩個極化狀態控制器(Polarization Controllers；PCs)、一個可調的帶通濾波器

(Tunable Bandpass Filter；TBF)和 2×2、1×2 50:50 光耦合器(Coupler；CP)各一個。

並顯示於圖 3-1。

半導體光放大器用來當作所提出雷射共振腔迴路的增益介質。除此之外，兩個極化狀態控制器(PC)用來調整極化狀態以達到輸出功率最大值的穩定。可調式帶通濾波器(TBF)在增益共振腔迴路內用來作波長選擇器並達到雷射架構的波長可調特性。在這實驗中，半導體放大器(SOA)的偏壓電流為 80mA 且操作的溫度在 25

C 以產生有效的增益，而 SOA 的臨界電流和最大電流分別為 50mA 和

250mA。輸出波長由光學頻譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer；OSA)以 0.01nm 解析度觀察，輸出功率則由功率測量儀觀察(Power Meter；PM)。

3.3 實驗結果與分析

圖 3-2 彩色的線顯示所提出的 SOA 環狀雷射的輸出頻譜，其中波長的調變範圍在 1521nm 到 1563nm 之間，以 2nm 為一個調變步階。圖 3-2 中黑色的線為

SOA 的放大自發幅射(Amplified Spontaneous Emission；ASE)頻譜圖，當操作電流在 80mA 時。ASE 的功率等級大約被量測到在-35dBm 到-45dBm 之間，當波長的範圍從 1520nm 到 1570nm。

圖 3-3 顯示在不同調變的波長範圍從 1521 到 1563nm 下相對應的輸出功率與邊模壓制比(Side-mode Suppression Ratio; SMSR)。我們可以得到最小的輸出功率和 SMSR 分別為-1.1dBm 和 36.8dB 在波長為 1521nm 時。最大的輸出功率和最大的 SMSR 分別是 4.8dBm 和 49dB 在波長為 1560nm 時。因此輸出功率的差異為 5.9dB 在調變的範圍內。當輸出的波長逐漸增加，觀察到的輸出功率也隨著增加。除此之外，我們觀察到較高的 ASE 雜訊當雷射波長在 1545.0nm 的時候，

顯示於圖 3-2，同時圖 3-3 也顯示出下降點在 1545.0nm 時由於較高的背景雜訊。

圖 3-4 顯示所提出的環狀光纖雷射輸出功率與不同的 SOA 驅動電流的關係，

當我們將雷射波長設定在 1551nm。在量測中，我們將 SOA 的操作電流從 0mA 到 80mA 作調整。顯而易見，當 SOA 的驅動電流逐漸增加，所提出的環狀光纖雷射量測到的輸出功率也隨之增加。當 SOA 的驅動電流在 80mA 的時候，所量測到的輸出功率可達 4.8dBm。所提出之光纖雷射架構的操作臨界電流為 30mA，

然而原本 SOA 的臨界電流為 50mA，因此我們可以達到節能使得 SOA 臨界電流減少 20mA 在使用我們提出的 Sagnac 迴路雷射架構下。

在此我們展示和分析所提出光纖雷射輸出的穩定性在功率和波長上，我們將量測的波長選擇在 1551nm 和輸出功率約為 4.8dBm 為初始。一段短期的觀察顯示於圖 3-5，我們可以看見波長的變化在觀測時間內可以被忽略，趨近 0nm，必且輸出功率的變化也小於 1dB 在 20 分鐘的觀測時間內。更進一步，經過一小時候的觀察，所提出雷射輸出的穩定性仍然維持。因此所提出的環狀光纖雷射以 Sagnac 迴路架構不只可以穩定的輸出，並且可以節省功率的損耗並加強輸出的表現。

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

在文檔中穩定且波長可調的光纖雷射之研究 (頁 14-0)

第一章 緒論