元件的特性量測與放大器的組裝

3.2.1 元件的特性量測

實驗目的為設計長波段信號使用之光纖放大器，因此元件在 長波段範圍必須有低插入損失的特性，因此先針對各元件在長波 段範圍的特性作量測。

[A] 摻鉺光纖與幫激雷射

實驗所使用的EDF 是以石英為基體的傳統摻鉺光纖，纖核半 徑約為1.5 µm，模場直徑 5 μm，截止波長 950 nm，表 5 為摻鉺 光纖的特性資料。根據上一章模擬結果，在 1480 nm 幫激波長下 FBIp 架構的最佳摻鉺光纖長度：15 + 144 公尺；在 980 nm 幫激波 長下 FBIp 架構的最佳摻鉺光纖長度：8 + 136 公尺。因為模擬軟 體 所 使 用 的 摻 鉺 光 纖 (HP980) 與 實 際 做 實 驗 的 摻 鉺 光 纖 (HighWave Optical Technologies ER741)其鉺離子的摻雜濃度並不 相同。根據實驗結果，發現在 HP980 的摻鉺光纖長度約為 ER741 摻鉺光纖長度的1.6 倍時，兩放大器有相同的特性。所以在實際作 實驗時 1480 nm 幫激的最佳摻鉺光纖長度分別為 10 + 90 公尺；

980 nm 幫激的最佳摻鉺光纖長度分別為 5 + 85 公尺。

根據模擬結果，分別採用1480 nm及980 nm的幫激波長下的 FBIp架構來進行實驗。各幫激雷射的操作輸出功率為125 mW，圖 3-4(a)(b)分別為1480 nm及980 nm幫激雷射的輸出頻譜圖。

[B] 光隔離器

實驗中共使用四顆光隔離器，表6測試數據顯示光隔離器在長 波段波長的插入損失小於0.9 dB，隔離度皆大於60 dB。使用寬頻 光源從光譜分析儀上觀察光隔離器的插入損失與波長的關係，如 圖3-5所示為其中一顆光隔離器插入損失與波長的關係圖。

[C] 分波多工器

分別在 1480 nm 及 980 nm 幫激波長下，各使用四個長波段的 分波多工器(1480/1580 nm 及 980/1580 nm)，表 7 為測試數據，圖 3-6 為其中一個 1480/1580 nm 分波多工器插入損失與波長的關係 圖，可以觀察到在1570-1600 nm 的範圍有較低的插入損失，這些 分波多工器乃專為長波段範圍作設計。

3.2.2 放大器的組裝

依圖2-4 中的 FBIp 架構組裝長波段摻鉺光纖放大器，使用光 纖熔接機將各個元件熔接好，元件間的熔接損失須小於 0.1 dB，

當沒有輸入信號進入摻鉺光纖放大器時，只有ASE 的產生。圖 3-7 為1480 nm 幫激波長下不同長度的摻鉺光纖所產生的 ASE 輸出頻 譜。

摻鉺光纖放大器的輸出頻譜，能夠展現放大器的增益特性，

在設計過程中是很重要的判斷依據。在沒有輸入信號的情況下，

摻鉺光纖放大器輸出頻譜的主要成分是ASE 雜訊，該頻譜能夠表 現放大器在小信號增益(Pin~ -30 dBm)的特性。長波段摻鉺光纖放 大器的ASE 頻譜不一定能夠代表小信號增益頻譜的特性，這和傳 統摻鉺光纖放大器的觀念不同。就長波段摻鉺光纖放大器而言，

觀察其在增益飽和下的輸出頻譜，更為重要，因為通常使用的輸 入信號功率都不小，尤其是WDM 系統使用之多波長信號的總輸 入功率足以使摻鉺光纖放大器達到飽和。因此，我們將功率較強 的信號輸入摻鉺光纖放大器，用光譜分析儀來觀察摻鉺光纖放大 器的增益頻譜，由於輸入信號會因均勻調寬現象而建立飽和特性 的 增 益 頻 譜 ， 可 以 準 確 的 預 測 長 波 段 摻 鉺 光 纖 放 大 器 在 1570-1600 nm 增益的平坦度，為重要的參考資料。

3.3 1480 nm 幫激波長 FBIp 架構

組裝完成後，為了瞭解長波段摻鉺光纖放大器是否操作在最 佳狀態，因而輸入一飽和信號λ_sat 為 1587.8 nm，其功率為 -3.5

dBm，再利用一探測訊號，功率為 -18.5 dBm ，波長為 1574.54 nm 來觀察長波段摻鉺光纖放大器之輸出頻譜[23]，圖 3-8 為 1480 nm 幫激波長下使用不同長度的摻鉺光纖所量測之放大器輸出頻譜。

我們可以藉由調整幫激功率或摻鉺光纖長度，使長波段摻鉺光纖 放大器能有最好的增益平坦度。

在圖 3-8(a)(b)(c)中，維持第一段摻鉺光纖長度 10 公尺，改 變第二段摻鉺光纖的長度分別為80、90、103 公尺，可以看出在 (b)圖也就是在第二段摻鉺光纖長度為 90 公尺時，有較平坦的增 益頻譜，符合所模擬出的結果。在兩級的摻鉺光纖放大器中，第 一段摻鉺光纖主要是用來維持高居量反轉，能降低雜訊指數；第 二段摻鉺光纖是用來達到最大的幫激效率，使放大器能有較高的 輸出功率。所以改變第二段的摻鉺光纖長度，來進行觀察並驗證 模擬結果。

3.3.1 特性量測結果

32 個波長信號的放大特性量測，我們使用一飽和信號來取代 31 波長信號，其功率為 31 波長信號功率的總合 -3.5 dBm，另外 使用一個波長可調的雷射當作探測信號，其功率為個別多波長信 號的功率 –18.5 dBm，飽和信號與探測信號彼此功率大小相差 31 倍。圖 3-9 將飽和信號與探測信號一起輸入放大器中，飽和信號波 長固定為1587.8 nm，是在 32 個波道(1574.54 ~ 1600.6 nm)的中間 波長，藉由調整探測信號的波長，量測飽和特性下不同波長的增 益與雜訊指數。

圖 3-9 為 32 個波長信號的增益值，分別在不同長度的摻鉺光 纖下。第一段摻鉺光纖長度固定為10 公尺，第二段摻鉺光纖長度 為80 公尺時，發現在短波長部分有較高的增益，表示摻鉺光纖的 長度太短，而所量得的增益平坦度△G = 2.1 dB；當第二段摻鉺光 纖長度增加至 103 公尺時，發現在長波長的部分有較高的增益，

表示摻鉺光纖的長度過長了，所量得的增益平坦度△G = 3.6 dB；

而第二段摻鉺光纖長度為90 公尺，此符合模擬所得到的摻鉺光纖

長度時，32 個波道有較平坦的增益值，增益平坦度△G = 1.2 dB， efficiency, PCE) 與量子轉換效益 (quantum conversion efficiency, QCE)，兩者的定義分別如下[3]:

( )

能有19.97 dBm 的信號輸出功率。由式(3.10)、(3.11)可以算出 PCE 為39.7 % 和 QCE 為 42.5 %，對於長波段光纖放大器而言，這樣

得到的增益平坦度△G = 0.5 dB，有 0.7 dB 的差異。

3.4.2 模擬與實驗結果之比較

針對第一段摻鉺光纖為5 公尺，第二段摻鉺光纖為 85 公尺的 長波段摻鉺光纖放大器實驗結果和模擬的結果作比較，圖 3-15 為 放大器對 32 個波道數之放大增益與雜訊指數，波長在 1575-1600 nm 由實驗所得到的增益比模擬結果(Ⅰ)低了約 3~4 dB，仍有相同 的增益趨勢，模擬的雜訊指數(Ⅰ)則比實驗結果低了 2~3 dB 左右，

而實驗的雜訊指數皆在8 dB 以下。圖 3-16 為放大器對 32 個波道 數之增益頻譜，模擬與量測結果在圖上同樣有將近 10 dB 的位準 差異。

980 nm 幫激波長 FBIp 架構之長波段摻鉺光纖放大器，對於波 長1570 nm 且功率為 0 dBm 的輸入信號，能有 16.32 dBm 的信號 輸出功率。由式(3.10)、(3.11)可以算出 PCE 為 18.8 % 和 QCE 為 30.1 %。上一章 980 nm FBIp 架構模擬得到的 PCE 為 22.7 %。

在實驗部分和模擬數值上，使用 980nm 的幫激波長在增益部 分有較大的差異，可能的原因是實驗中所使用的980/1580 nm 分波 多工器的插入損失較1480/1580 nm 分波多工器大，使得 980 nm 幫 激功率損失變大，所以進入摻鉺光纖的幫激功率變小。前向的980 nm 幫激雷射經過 3 個分波多工器後，約有 2.9 dB 的損失，後向的 980 nm 幫激雷射經過 3 個分波多工器後，約有 2.5 dB 的損失；而 前向的1480 nm 幫激雷射經過 3 個分波多工器後，約有 1.6 dB 的 損失，後向的 1480 nm 幫激雷射經過 3 個分波多工器後，約有 1.4 dB 的損失。

我們將模擬的參數值重新設定，與實驗所量測到元件的插入 損失相同，得到圖 3-15 中模擬結果(Ⅱ)。實驗所得到的增益比模 擬結果(Ⅱ)低了約 2 dB，模擬的雜訊指數(Ⅱ)則比實驗結果低了 2 dB 左右。

另一個造成實驗和模擬誤差的原因，是因為所使用的多波長

量測方法中，飽和訊號選定的波長位置造成的影響[30]。當飽和訊 號設定在較短波長的地方時，長波段摻鉺光纖放大器受到不均勻 的增益飽和(inhomogeneous gain saturation, IGS)影響較小，而當飽 和訊號設定在較長波長的地方時，長波段摻鉺光纖放大器受到IGS 的影響，會使得訊號的增益部分被壓低。

3.5 討論

經由以上對模擬與實驗結果的比較，可以發現實驗的結果能 夠符合模擬所預測的增益趨勢。實驗所量得的增益，在 1480 nm 波長下能與模擬的結果接近；而模擬的雜訊指數和實驗的值有些 差異，原因為理論模擬的理想化狀況與量測方法可能造成的誤差。

第四章 摻鉺光纖放大器 4.1 傳統波段摻鉺光纖放大器理論與模擬

4.1.1 傳統波段摻鉺光纖放大器

操作波長在 1550 nm 附近之摻鉺光纖放大器技術已發展至實 用階段，如丹麥到德國的200 公里長之海底光纜系統，就已在 1992 年開始利用 EDFA 而不用海底中繼系統之裝設。

本章節中，研究兩級(two-stage)的傳統波段摻鉺光纖放大器架 構。一般來說，使用兩級架構的傳統波段摻鉺光纖放大器，可以 降低雜訊指數，且有較高的幫激效率[26]。設計兩級的摻鉺光纖放 大器，第一級的摻鉺光纖主要用來維持高居量反轉，減小雜訊指 數，其作用如同前置放大器(pre-amplifier)，所以使用 980 nm 的幫 激波長，能維持高居量反轉及低雜訊指數，是為第一級摻鉺光纖 較理想的幫激波長；而第二級的摻鉺光纖主要是用來維持高的幫 激效率，使放大器能有高功率輸出，其作用如同功率放大器 (power amplifier)，使用 1480 nm 的幫激波長，因為其功率轉換效 率較980 nm 幫激波長好，所以在第二級摻鉺光纖使用 1480 nm 的 幫激波長，為較理想的選擇。

摻鉺光纖放大器因為有不平坦的增益頻譜，會限制可使用的 頻寬，所以發展摻鉺光纖放大器增益平坦化技術便成為一重要的 問題。在新基體材料的摻鉺光纖放大器中，如以氟或碲為基底 (Fluoride- or Telluride-base) [5]，摻雜高濃度的鋁離子和磷離子，讓 摻鉺光纖放大器在操作的波長範圍產生低居量反轉的現象，來獲 得摻鉺光纖放大器的增益頻譜平坦。另外，使用增益平坦器 (gain-flatten equalizer) 如 長 週 期 的 光 纖 光 柵 (long-period fiber grating)也可以達到增益頻譜的平坦化[3]，或用混合的放大器，如 拉曼放大器加上摻鉺光纖放大器[8]。

本章節所採用的增益平坦化技術為在兩段的摻鉺光纖中間加

入增益平坦濾波器(gain-equalizing filter, GEF)，然後用數值模擬的 方法得到一理想的濾波器頻譜圖。其原理為第一級的放大器先將

入增益平坦濾波器(gain-equalizing filter, GEF)，然後用數值模擬的 方法得到一理想的濾波器頻譜圖。其原理為第一級的放大器先將