迴路型雷射

光纖迴路型雷射的發展最早始於 1961 年 [10]，當時所用的是摻釹光 纖，核心直徑為 300 µm，該雷射可以產生工作波長為 0.92 µm、 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路雷射中，當時使用的泵激雷射為半導體雷射 [11]；1989 年開始，研究重點集中在摻鉺光纖迴路雷射上，因為此類光纖 迴路雷射的工作波長集中在 1.55 µm 區段，以半導體多波長陣列的泵激雷 射可以產生約 10 W 的連續光，並藉由鎖模技術可產生飛秒等級的超短高 速脈衝，在光纖通訊、光纖感測與超快速雷射的研究與應用上舉足輕重。

光纖迴路雷射的發展中，產生多種光纖迴路雷射腔的設計[12]、[13]，

其中一種已被實用化的雷射共振腔形式為法布理‧伯羅共振腔，其結構為

將增益介質置於兩片高反射率的反射鏡間，在光纖迴路雷射中，反射鏡直 接與光纖耦合可以避免掉散射造成的光損耗。為使泵激光源避免與反射介 質接觸有以下幾種方法：一、在光纖中加入一個帶有光單向器的光耦合器，

使大部分的泵激光源藉由耦合器進入光纖迴路雷射的共振腔中，帶有單向 器的光耦合器後來被波長分光(WDM)耦合器所取代。二、利用光纖光柵取 代反射介質鍍膜而使用在共振腔結構上，對於特定的雷射波長而言，布拉 格光柵等同於高反射鏡，對於泵激光波長則可視為高度透明。利用布拉格 光柵的另外一個優點，光柵具有高度的光頻率選擇性，兩端都使用光纖光 柵將使輸出光能達到單縱模，並窄化輸出光線寬。三、利用光纖環形迴路 共振腔，環形迴路共振腔能夠單方向輸出光，應用在光纖迴路雷射上，由 於環形迴路沒有反射鏡，損耗將可降低。

第二章 實驗原理

2.1 掺餌光纖放大器(EDFA)

2.1.1 三能階系統

用原子三能階模型來描述掺鉺光纖放大器最簡單的方式，許多非常重 要的特性都可以從這簡單模型中得到驗證。這個傳輸方程式若是考慮像是 激態吸收(excited state absorption)或其三維特性的效應可以解釋更複雜的狀 況。我們考慮一個三能階的系統如圖2.1 所示，包括一個基態(能階 1)，兩 個受激發態(能階 2、3)。

3

2

1

Γ

Γ

s s

φ σ

p p

φ σ

圖2.1: 掺鉺光纖放大器的三階能帶模型。

在一個良好的放大器中，能階 2 的原子通常有較長的生命期，有時被 視為一個次穩態（metastable level），在放大傳輸過程中能階 2 屬於上層

（upper level），而能階 1 屬於下層（lower level），而三能階的原子數目 分別定義為N₁、N₂、N₃，三階系統是將用來代表在放大過程中鉺離子的部 分能階結構，為了觀察放大過程，我們需要將能階 1 與能階 2 的原子粒 子數反轉（population inversion），這是將半數以上的鉺離子粒子激發到激 態方能構成粒子反轉的條件，而這過程的進行中，我們加入一個臨界泵激 功率的需求作為三階雷射放大系統的背景條件之一。摻鉺光纖放大器的一 個特別的優點，就是能把光侷限在光纖核心這個很小的空間範圍內，光的 強度在行進遠距離後仍非常高，因而使用較小功率的泵激光源即可達到粒 子反轉需求。在此我們初步假設此系統為一維的架構系統，換句話說，假 設在有效光纖截面積的中，泵激光、訊號光強度和鉺離子在橫向分佈均為 常數。定義將原子從能階 1 激發到能階 3 入射光的強度通量（每單位時 間單位面積的光子數目）以 φ_p 來表示，此即泵激光。從能階 1 激發到能 階 2 的光強度通量（每單位時間單位面積的光子數目）以 φ_s 來表示，此 與訊號場有關。每個能階粒子數目的變化起因於入射光的光子被吸收、自 發性輻射和受激發輻射，另外，將能階 3 至能階 2 態的躍遷機率定義為

，這包括輻射性與非輻射性的躍遷機率，但大多數的狀況裡大多數此種 躍遷都是非輻射性的； 為能階 2 至能階 1 的躍遷機率，在 的躍遷 中，幾乎都是輻射性的躍遷，因為在能階 1 與能階 2 之間並沒有其他能 階可供受激能階粒子移動。我們在定義

Γ32

Γ21 Er³⁺

21 1τ2

Γ = ，其中 τ₂ 為能階 2 生命

期（lifetime）。

在與（2.5）及（2.6）式可得

優良放大器的條件：

Normalized pump photo flux threshold

示，因此我們可以得到一個簡單的式子

s sat

殘餘的共振效應仍然存在（32％ 的反射率），因此可以將 SOA 分成兩類：

共振式或 Fabry-Perot 放大器(FPA)與 Traveling Wave 放大器(TWA)。FP 放大 器其放大的機制可以藉由 Fabry-Perot 干涉儀的理論獲得

2.2.2半導體光放大器的特性

_s ^m

_{s sp} 2 _{s sp} ^e power），N_{sp sp−} 定義為自發性輻射－自發性輻射的雜訊功率（spontaneous -spontaneous noise power），Nshot為快閃雜訊的雜訊功率，B_e 為電訊號接收

2n_sp，然而在最好的情況下，粒子完全的反轉 n_sp =1，則此時的噪音指數會 是最低的，其值為 3dB。當然在某些情況下偶爾會遭遇到噪聲指數達到 3dB 以下，那通常發生在增益極低而且粒子反轉因子接近1，尤其是光纖長度很 短時。

2.3.2 噪聲指數的量測

1. 利用頻譜插補方式(spectral interpolation)的光學量測法

設快閃雜訊對輸入的訊號雜訊比的影響已經包含到訊號-自發雜訊與自

2. 利用偏極鈍化(polarization nulling)的光學量測法

這依方法是藉由偏極鈍化方式將訊號由雜訊中萃取出，量測的實驗架 構如圖2.4 所示，其中ASE 的功率為隨機偏極化，可藉由偏極化器將輸出 訊號偏極化、排除偏極訊號後量測出來，然而，當周遭環境改變訊號的相 位時，訊號的偏極化將會隨著時間而改變，故此法量測時以電腦控制的自

動化偏極化控制器較容易完成。

圖2.4: 用偏極鈍化方式量測噪聲指數的標準實驗架構

3. 利用相對強度雜訊降低(RIN subtraction)的電子量測法

在光電半導體上最常用來量測噪聲指數的方法，其中 RIN 代表相對強 度雜訊（relative intensity noise），一個訊號的 RIN 定義為

2

Pin RIN_output

, output total

P

ASE)，P_{output sig,} 為訊號的輸出功率。（2.49） 式中第一項 1 G 為快閃雜訊 的影響，第二項包含訊號-自發雜訊、自發相互雜訊與多重路徑造成的雜訊 影響 [14] [16]。

2.4 增益箝制(Gain-clamped)

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。在此我們主要探討第 3 種箝制的機制，當有部分的 ASE 從光 放大器輸出，經過濾波選出一個特定的波長後再從新注入到放大器中（圖 2.5），如此形成一個迴路型雷射的架構，產生雷射的條件取決於選定的波 長及回授 ASE 功率的大小，與輸入訊號光的功率大小無關 [17]。

圖2.5 順向迴路雷射之增益箝制架構

一般而言，輸入與輸出光功率大小可以寫成以下關係 放大器的長度。令 f 為在眾多訊號中所濾出來作為 saturation tone，我們將 其輸出與輸入的關係表達成下式: P_f^out =βP_fⁱⁿ， 1 β 為光在迴路中的衰減，

第三章

S 頻段掺鉺光纖放大器的增益箝制

3.1 前言

寬頻的掺鉺光纖放大器可以有效的增加在 1.5 mµ 不論是在傳輸或是 形成一個網路架構分波多工（WDM）的數目 [19]。現今，可由理論 [20] 或 是實驗上 [21] 達到寬頻的掺鉺光纖放大器（120 nm），另一方面，在一個 動態的分波多工的網路內，多路傳輸上通道的增減或是在光域上傳播大量 的資訊，對於掺鉺光纖放大器緩慢響應造成瞬時的功率是個要設法解決的 問題。這種暫態的效應可以藉由電路上，光學上或是這兩種的合併的控制 法來壓制，在這多種的方法之中，光學上的增益箝制技術是最常使用的。

然而已經有許多的實驗 [22]-[25] 被提出應用在 C + L 頻段的掺鉺光纖放 大器，不過在這些實驗架構之中 [22]、[23] 無可避免由 C 頻段和 L 頻段 間引起的干擾（crosstalk）現象；而平行的架構 [25] 可以有效的減少干擾 現象，但是卻會提高其噪聲指數 [26]。近來，有關 S 頻段的掺鉺光纖放大 器（1460—1520 nm）以被探討及提出 [27]，因此，使用 S 段的光放大器 將可以將增益箝制的技術延伸到 S 頻段。接下來我們將利用不同的光纖光 柵作為反射鏡形成的光回授機制達到 S 頻段增益箝制的光放大器。

3.2 實驗架構

在均質變寬（homogeneously broadening）的介質之中，在單一波長產 生的雷射決定總粒子數反轉，因此對於不同波長下的增益將與各自的吸收 和輻射截面積（absorption and emission cross sections）有關，而任何輸入的 訊號光功率的改變來可藉著調整輸出雷射光的功率來補償，所以各個波長 的信號光經過放大器時將會獲得固定的增益，與像是由通道（channel）數 目的增減所引起的輸入光功率變化無關。基於這個原則，我們可以提出一 個利用正向光回授機制來達到 S 頻段增益箝制的實驗架構（圖 3.1）。架構 中包含一個 S 頻段的掺鉺光纖放大器，一個光迴旋器（OC），一個 1 2× 不 同比例的光耦合器（C）含一條布拉格光纖光柵（FBG），光耦合器對輸入 訊號光的耦合比例有：90 , 80 , 60 和 50％。布拉格光纖光柵是作為一個反 射鏡，為了雷射出一個 saturation tone 注入到 S 頻段的掺鉺光纖放大器之 中。在這次的實驗中，我們使用 4 條不同中心波長和不同反射率的 FBGs 來獲得不同注入的能量。

在放大器內，第一級與第二級掺鉺光纖有不同的特徵。在第一級的光 纖長度有 20 公尺藉著正向的泵浦可以提供低噪聲指數與適中的增益；第一 級的光纖長度有 30 公尺藉著反向的泵浦可以產生很大的輸出功率。此外，

在兩者之間的光隔絕器（optical isolator）可以減少由於第二級放大器的反 向泵浦產生的自發性輻射，改善噪聲指數的表現。整個放大器模組的泵激