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