論文架構

1.3 論文架構

本論文共分成四個部分：第一章為緒論，簡介光纖通訊與光纖 雷射光源；第二章的部分，將會介紹 DFB 光纖雷射的原理及架構；第 三章會利用我們所建立的理論工具來設計 DFB 光纖光柵；第四章為實 驗架構和實驗量測結果的部分；第五章則是結論與未來展望。最後則 是本論文所參考的一些文獻出處。

第二章 DFB 光纖雷射之原理

DFB 雷射最早是由 Kogelnik 和 Shank [1] 所提出，因為此種雷 射具有自我選頻和整合特性，引起了很大的迴響。而將此種應用發展 至光纖上則是到了 1985 年以後，一些實驗室成功的發展出離子注入 技術至光纖中，製造出第一個低損耗的 rare-earth-doped 光纖，1994 年才由 Kringlebotn 等人完成第一個 DFB 光纖雷射 [2]。因為此種雷 射有非常窄的線寬，穩定的單模輸出，在製作上波長的較有彈性，以 及可以輕易地調變波長等特性，所以很適合作為光纖通訊的光源和感 測應用(sensor)[23]。因此陸陸續續有許多人投入 DFB 光纖雷射的研 究並做更多改善，也得到不錯的成果。

本章節我們將介紹 DFB 光纖雷射的原理，並介紹一些單模 DFB 光 纖雷射的架構。

2.1 摻鉺玻璃的特性

鉺離子(Er3+)是繼 Nd3+離子之後，被大量研究且應用的雷射離 子。第一個摻鉺玻璃雷射是由 Snitzer 和 Woodstockn 所建立的[3]。

而摻鉺光纖之所以如此吸引人是因為在光纖通訊的波段(1500nm)有 很好的特性，不過，隨後的發展卻很緩慢，一直到單模玻璃光纖的高

濃度摻鉺光纖放大器的建立，摻鉺光纖便開始被大量應用於光放大 器、雷射、光交換器和許多非線性的裝置。

2.1.1 摻鉺光纖 1500nm 波段的等效吸收/輻射面積(cross sections) 鉺離子在 1500nm 的波段是一個三階的系統或二階的系統，如圖 2-1a 和 2-1b，至於是三階或二階系統則是由激發波長決定。在摻鉺 玻璃主要有 4I11/2、4I13/2 和 4I15/2 這三個能階，4I11/2---4I15/2 的躍遷即為 980nm 激發能帶(pump band)，而 4I13/2---4I15/2 的躍 遷則是信號光 1520-1570 的波段以及共振激發(resonant pumping) 1460-1500 的波段。而其他的激發能帶，會有一些複雜的現象，像是 激發光源的激態吸收(ESA)等[4]，和鉺離子的其他能階有關，會降低 980nm 在 4I11/2---4I15/2 的吸收效率，使增益變小。

因為 4I13/2 在室溫下是一般氧化玻璃唯一的介穩態

(metastable state)，所以只有在 1500nm 4I13/2---4I15/2 放射頻 帶才有增益，這個能階轉換的強度和頻譜跟 host 有關。表 2-1[5]列 了一些重要的不同成份的玻璃類型的整體吸收等效面積

Ka=

∫

(Phosphates)，磷酸氟鹽(Fluorophosphates)和硼酸鹽(Borates)可 相對地提高了 Ka 值。Silicate S6-S8 分別摻雜锰(Mg)、鈣(Ca)和鍶

(Sr)，Silicate L22 和 Silicate S7 的含矽量為 71mol%比上 57 mol%，

可見含矽量高會降低 Ka 值。Borate S23 和 S18 的含硼量(B2O3)為 74 和 88mol%，增加硼含量可增加吸收強度。Phosphate S1 和 S4 分別摻 雜了鎂(Mg)和鋇(Ba)。對磷酸氟鹽(Fluorophosphates)而言，Ka 值 會因氧(Oxygen)和氟(Fluorine)的比例不同而變化，FluoroPhosp- hate L11 和 L14 的氧氟比為 1.5 和 0.15。等效面積的峰值是由吸收 和放射頻譜的形狀以及 Ka 值所決定的，表 2-2[5,page79]列了一些 代表性的玻璃其激發放射等效面積σ₂₁和吸收等效面積σ₁₂值，以及所 發生的波長，和量測到的生命期(lifetime)。

在 1500nm 的摻鉺光纖放大器及光纖雷射之所以成功，是因為鉺 離子的介穩態(metastable state)的生命期(lifetime)很長，約 10 微秒(ms)，因此不需要很高的能量做激發便可以達到很大的居量反轉 (population inversion) ， 可 獲 得 較 大 的 增 益 和 很 低 的 雜 訊 (noise)。也因為如此，在 DWDM 系統中其所產生之失真(distortion) 和串音(cross-talk)幾乎可以忽略。

圖 2-1(a) 三階雷射系統 圖 2-1(b) 二階雷射系統

Glass K_a(10⁻⁸cm /² s) Silicate L22 2.6 Silicate S8 3.0 Silicate S7 3.7 Silicate S6 4.0 Silicate ED2 3.5 Al/P silica 5.1 Borate S23 4.7 Borate S18 5.9 Phosphate S1 3.2 Phosphate S4 4.4 Phosphate L28 5.5 Fluorophosphate L14 5.1 Fluorophosphate L11 5.5 Fluorozirconate ZBLAN 4.6 Ba-Zn-La-Th fluoride 4.6

表 2-1 摻鉺光纖在 ⁴I_15/2→⁴I_13/2 的整體吸收等效面積

Glass Life Ge/Al silica Ge silica Silicate L22 Fluorophopha

2.1.2 激發光源(pump source)的波長

光纖雷射和光放大器在 1500nm 通訊用波段所使用的激發光源波 長有很多種，這是因為鉺離子的吸收頻譜範圍很廣，分佈從 450nm 到 1600nm。激發波長的選擇首要考慮所需要的 gain transition，再來 就是轉換效率及有效的光源。鉺離子 4I11/2---4I15/2 的轉換所對 應到的吸收波長是在 970nm-980nm 之間，在此激發能帶光在光纖的放

大不但可以得到最大的增益，信號輸出功率較大，有較好的量子轉換 效率(quantum conversion efficiencies)，這也是因為 980nm 激發 能帶(pump band) 的吸收等效面積很大，再加上沒有激發光的激態吸 收(ESA)的效應，所以這是用來激發摻鉺光纖裝置相當有效的波長。

圖 2-2[5,page104] 是不同玻璃成分在 980nm 能帶的吸收等效面積 頻 譜 ， 可 以 看 出 加 了 氟 化 物 (Fluorides) 和 磷 酸 氟 鹽 (Fluorophosphates)的摻鉺玻璃，其等效面積峰值所在的波長較短，

而矽玻璃(Silicates)和含磷酸鹽玻璃(phosphates)，其等效面積峰 值所在的波長較長。

另一個使用在 1500nm 光纖放大器和光纖雷射的激發波長則是在 1480nm 附近，因此是一個二階系統，如圖 2-1b。由圖 2-3[5,page100]

可看出，儘管 1480nm 是在吸收頻帶的左翼(wing)，但它的等效面積 值是和 980nm 的等效面積值相當的(圖 2-3)，而且也不需考慮激發光 源的激態吸收(ESA)。但是這種共振式的激發主要的缺點則是因為放 射和吸收頻譜的不完全偏移(incomplete offset)，從圖 2-3 可看出，

當吸收等效面積在每個波長都大到一定程度時，相對地激發放射的等 效面積也會變大，如此一來會降低激發光的吸收，而且在任何激發功 率下都無法達到完全的居量反轉(full inversion)。

圖 2-2 980nm 頻帶的吸收等效面積頻譜

圖 2-3 Al/P silica 的吸收和放射等效面積的頻譜

2.2 DFB 光纖雷射的架構

圖 2-4 一般 DFB 光纖雷射的架構

圖 2-4 是基本的 DFB 光纖雷射的架構，主要分成兩個部分，第一 個部分就是在摻鉺光纖上寫入光柵，通常為了達到單模的要求，如果 只是均勻光柵(uniform grating)，那麼為了滿足共振條件，產生雷 射的波長會對稱地位於布拉格中心波長的兩側；如在光柵的中間多了 π的相位移，這樣的光柵不但扮演共振腔的角色又具有選頻的機制，

如此一來較容易達到單模雷射又可得到較大的雷射輸出功率。第二部 分，將寫好光柵的摻鉺光纖和 WDM 耦合器的一端融接在一起，再從接 激發光源的一端將 980nm 打進摻鉺光纖，最後可從 1550nm 端得到雷 射輸出。

然而，摻鉺光纖雷射仍具有一些缺點，為了要達到單模輸出，摻 鉺光纖上光柵的長度只有數公分長，所以激發光源的吸收會比較低，

導致雷射轉換效率和輸出功率都不高，大概 0.1%的轉換效率和幾個

毫瓦(mW)的輸出[6][7]。為了克服這個缺點，增加鉺離子的濃度來提 高激發光源的吸收卻會造成另外的問題。一般而言，為了讓光纖曝照 在紫外光下所形成的光柵效果顯著，都會讓光纖摻鍺(Ge)來增加光纖 感光性。然而加了鍺的光纖較容易發生離子叢生(ion clustering) 的現象[8]，造成雷射效率變低，也會使得雷射不穩定[9][10]。為了 解決上述種種問題，有以下幾種方式可用來作改善：

2.2.1 主震盪器功率放大架構(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)[11]

圖 2-5 MOPA 架構示意圖

此架構主要是當 1480nm 激發光源通過光纖雷射後，未被吸收的 剩餘激發光，再導入另一摻鉺光纖中作為激發光源，而中間的光等隔

reflection)外，也因為一般 1550nm 的光等隔離器也可讓 1480nm 的 光 源 通 過 ， 同 時 也 可 避 免 1480nm 的 光 源 發 生 反 向 反 射 (back reflection)，造成激發雷射的不穩定，導致產生的雜訊會使得雷射 腔內發生鬆弛震盪(relaxation oscillation)。接著在放大用的摻鉺 光纖後，所接的是反向的雷射二極體，當作激發光源。此激發光源通 過第二個 WDM 將光耦合近放大用的摻鉺光纖，加上原本剩餘的激發光 一起來放大信號光。如此一來原本微弱的輸出光，藉由 MOPA 的方法 可得到穩定且有幾十個毫瓦的輸出。

2.2.2 腔內激發(intracavity pumping)[12]

圖 2-6 腔內 pumping 分佈反饋式光纖雷射架構圖

圖 2-6 是腔內激發的實驗架構，主要的雷射共振腔是由兩個布拉 格波長為 975nm 的高反射率光柵，加上摻鐿(Yb)光纖和 DFB 光纖光柵

所組成，在此實驗所用的摻鐿(Yb)光纖長度為 0.45 公尺，濃度約為 500ppm，而摻鉺光柵長 10 公分，濃度約為 300ppm。975nm 光柵則是 寫在感光性較佳的摻鉺光纖上，利用波段在 924nm 的鈦藍寶石雷射 (Ti:Sapphire) 激發此雷射架構，由激發摻鐿光纖所得到的在 975nm 附近的光去激發同樣在共振腔中的 DFB 光纖光柵，所得到的輸出功率 是用 980nm 激發光源的 3 倍。

上述兩種方法是使用額外的架構來增加雷射輸出功率和穩定性，

以克服摻鉺光纖的感光性差和增益小的缺點。接下來的部分則介紹改 善摻鉺光纖感光性和增益的一些方法。

2.2.3 改善摻鉺/鐿光纖感光性和增益

在摻鉺光纖中摻鐿主要是為了藉由鐿離子比鉺離子對 980nm 波 段有更大的吸收，並能將此能量有效的轉換到鉺離子，使得高效率短 腔長的光纖雷射較容易實現。如圖 2-7，是鉺/鐿離子的能階轉換示 意圖，通常，鐿離子在 980nm 的吸收等效面積會比鉺離子大上 1 至 2 個 order ，所以能比較有效地吸收 980nm 激發光源。之前有提到一 般的摻鉺光纖為了增加感光性會在光纖中摻鍺，但是對摻鉺/鐿光纖 卻很難做到，因此為了使得鐿和鉺離子之間的能量轉換更有效，通常 會在光纖中摻磷(phosphorous)。即使在光纖中也加入鍺，摻雜磷的

光纖仍會降低其感光性，因此有人將錫(Si)也摻雜至摻鉺/鐿光纖 上，發現光纖甚至不需要載氫就有很好的感光性[13]。隨後，另一種 方式是不改變一般鉺/鐿光纖核心(core)的 phosphosilicate host，

而用高感光性的硼/鍺包覆層(B/Ge cladding)圍在此核心外，很容易 地可以寫出反射率很高的光柵[14]。

圖 2-7 鉺/鐿離子能階轉換示意圖

第三章 DFB 光纖雷射之理論分析及設計

3.1 理論模型的建立

這個部分我們利用速率方程式(Rate equations)所建立的增益 模 型 (gain model) 來 計 算 增 益 ， 然 後 將 得 到 的 增 益 係 數 (gain coefficients)代入耦合模方程式(coupled-mode equations)，並用 transfer matrix method[15]解此方程組。我們透過此理論模型來設 計 DFB 光纖雷射，設計的對象是實驗上所使用的高濃度摻鉺光纖和摻 鉺/鐿光纖，希望能透過分析來對實際製作高效率 DFB 光纖雷射的研 究有所幫助。

這個部分我們利用速率方程式(Rate equations)所建立的增益 模 型 (gain model) 來 計 算 增 益 ， 然 後 將 得 到 的 增 益 係 數 (gain coefficients)代入耦合模方程式(coupled-mode equations)，並用 transfer matrix method[15]解此方程組。我們透過此理論模型來設 計 DFB 光纖雷射，設計的對象是實驗上所使用的高濃度摻鉺光纖和摻 鉺/鐿光纖，希望能透過分析來對實際製作高效率 DFB 光纖雷射的研 究有所幫助。