3.1 實驗簡介
在第二章所提出的架構中，由於系統的共振腔腔長無法控制，在 不改變 FP-LD 的調變頻率的情況下。各波長的光訊號由於群速的影 響，因此在光纖的行進速度並不一致，導致在非中心波長部分光訊號 經過共振腔自我注入 FP-LD 時，與 FP-LD 的調變頻率產生了不匹配 的狀況，使得訊號品質下降，進而影響到脈衝寬度以及 SMSR。而此 效應在越遠離中心波長影響越明顯，使得此系統架構的可調範圍無法 再延伸。因此在此架構中，我們提出利用可調共振腔的架構來架設一 波長可調的主動鎖模環狀光纖雷射。
3.2 實驗架構
圖 3.1 為我們所提出的波長可調的主動鎖模環型共振腔光纖脈 衝雷射的架構。在此實驗架構中，共振腔部份包含有以下幾個元件：
一個經過調變的 Fabry-Pérot 雷射二極體(FP-LD)、一個偏極化控制器
(PC)、一個光循環器(OC)、一組摻鉺波導放大器(EDWA)作為光訊號 放大之用、一個波長可調的帶通濾波器(TF)作為系統波長選擇之用、
一個分光比例為 50:50 的 1X2 的光偶合器(C1)，使得部分光訊號作為
TF PC
EDWA
Oscilloscope OSA
VODL
RF Signal Generator
Power Splitter Amplifer
Bias Tee
FP-LD
C2 C1
C
50%
50%
50%
50%
1 2 3
圖 3.1Fabry-Pérot 雷射二極體自我注入之環狀共振腔實驗架構
系統的輸出，部分的光訊號作為自我注入的訊號。另外我們在環型共 振腔內增加了一個可調的光延遲器(VODL)，作為調整環型共振腔的 腔長之用。
摻鉺波導放大器是由 Teem Photonics 所製造，其最高的輸出功率 約為 12dBm。
可調帶通濾波器則是一個 Fabry-Pérot 濾波器，其插入損耗大約 為 1.9dB，自由頻譜範圍(Free Spectral Range)以及 3dB 損耗的頻寬分 別約為 48.7nm 以及 0.53nm。
而 FP-LD 則是由 Appointech, Inc.所生產的，為一 InGaAsP 元件 且雷射並無抗反射渡膜(antireflection coating)，中心波長 1550nm，臨 界電流在 25˚C 時為 18mA，模態間距約為 0.8nm。而驅動 FP-LD 的 射頻訊號為弦波訊號，此射頻訊號經過一偏壓電路後，直接對 FP-LD 進行增益開關操作。而偏極化控制器則是使得輸出脈衝產生最佳的
SMSR，因為脈衝經過共振腔回到偏極化控制器再重新注入 FP-LD 時，由於偏極化控制器使得脈衝光可以維持在同一個偏振方向注入
FP-LD，進而使 FP-LD 的輸出達到最佳的效率。
手調的光延遲器是由 General Photonics Corp.所生產，在系統中用 來控制共振腔的腔長，其插入損耗約為 1.2dB。
因此實驗架構的主要原理為 FP-LD 的輸出經過偏極化控制器，
經過光循環器的 port2 到 port3，經過可調濾波器後的濾波後，訊號將 主要只包含濾波器與 FP-LD 對應的波長，此訊號在經過 EDWA 的放 大後，利用 1X2 的光偶合器將部分訊號作為系統輸出，部分訊號在 經過光延遲器經由光循環器的 port1 到 port2，經過偏極化控制器後再 注入 FP-LD，藉由共振腔腔長以及 FP-LD 的調變頻率的調整，使得 系統輸出脈衝光源。
3.3 實驗結果
在實驗中，為了同時量測系統輸出在頻域以及時域的訊號，我們 在光偶合器(C1)的一端接上一個分光比率為 50:50 的 1X2 光偶合器 (C2)，其輸出端分別接到光譜分析儀(OSA)以及快速取樣示波器 (Oscilloscope)。而 FP-LD 的驅動電流則控制在略低於臨界電流
2.4mA。由於我們在環型共振腔內加入了一個可調的光延遲器，使得 系統的共振腔的腔長可調，因此直接將 FP-LD 的調變頻率固定，而 在此實驗中我們將調變頻率設定為 2000MHz。藉由改變共振腔的腔 長使得在不同波長的脈衝訊號都可以與 FP-LD 的調變頻率匹配，產 生最佳的脈衝輸出。圖 3.2 則是 FP-LD 在此調變頻率以及驅動電流 的條件下所產生的輸出頻譜。而可調的 Fabry-Pérot 濾波器則是用來 選擇輸出波長，當濾波器的中心波長被調整到與 FP-LD 的任何一個模 態相同的時候，則 FP-LD 的機制會限制雷射的輸出功率幾乎集中在此
圖 3.2 FP-LD 在調變頻率 2000MHz 以及驅動電流 15.6mA 時的增益頻譜 一波長。
圖 3.3 顯示在可調濾波器的中心波長與不同的 FP-LD 模態對應 時，系統輸出的脈衝訊號的 SMSR 以及脈衝寬度。首先我們來觀察 不同波長的輸出脈衝的脈衝寬度，我們可以發現即使的調變頻率都固 定為 2000MHz 的條件之下，系統的可調範圍在 1523.42nm-1570.16nm 之間，達到了 46.6nm，同時脈衝寬度也都可以維持在 45ps 附近。這 是由於不同波長的光訊號即使因為群速不同的影響，使得光訊號行進
1520 1532 1544 1556 1568 1580
10
-10
-30
-50
-70
-90
Wavelength (nm)
Power (dBm)
圖 3.3 不同波長時系統輸出的 SMSR 以及脈衝寬度
速度不一致，然而我們利用可調的光延遲器調整共振腔的腔長，使得 在不同波長的光脈衝，仍然可以在時序上很理想的自我注入到
FP-LD，使得在不同波長中，系統的注入效率都可以達到很理想的效 果。加入可調光延遲器的系統不僅解決在不同波長間共振腔長與調變 頻率的不匹配，同時也改善了訊號的 SMSR，如圖 3.3 所示，在系統 可調的範圍內，SMSR 都可以達到 33.5dB 以上，也較第二章提出的 架構為高。同時原本因為 SMSR 降低以及脈衝寬度變寬而被侷限的波 長可調範圍，也因此提升了。我們可以注意到系統可調的範圍高達了 46.6nm，幾乎與可調濾波器的可調範圍 48.7nm 相當接近，因此可以
證明事實上系統的可調範圍事實上是被可調濾波器的可調範圍所限 制，如果我們可以找到一個波長可調範圍更寬廣的濾波器配合適當的 光放大器以及 FP-LD，我們仍然可以使得波長的可調範圍更進一步提 升。
至於觀察在不同波長的 SMSR 分佈狀態，可以觀察到在 1545nm 附近輸出脈衝的 SMSR 要優於 1520nm 以及 1560nm 部份，主要的原 因是由於 FP-LD 的中心波長在 1545nm，使得系統的注入的增益較 佳。另外 EDWA 的 ASE 在 1530nm 附近會產生 peak，因此 EDWA 的 增益頻譜同樣的也會影響到系統的 SMSR。
圖 3.4 以及圖 3.5 分別為可調濾波器的中心波長與不同的 FP-LD 模態對應時，在光譜分析儀以及快速取樣示波器上所觀察到頻譜分布 以及脈衝波形。
1520 1532 1544 1556 1568 1580 5
-5
-15
-25
-35
-45
Wavelength (nm)
Power (dBm)
圖 3.4 系統在不同波長時的輸出頻譜
200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(b) 波長在 1528.04nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(c) 波長在 1532.72nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(d) 波長在 1537.40nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(e) 波長在 1542.08nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(f) 波長在 1546.76nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(g) 波長在 1551.50nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(h) 波長在 1556.42nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(i) 波長在 1561.22nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(j) 波長在 1565.30nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
圖 3.5(k) 波長在 1570.16nm 時的輸出脈衝波形 200 ps/div
Pulse Intensity (a.u.)
3.4 結論
我們提出一個環狀共振腔的架構來完成主動鎖模的可調雷射。無 論是可調範圍以及脈衝訊號的表現上，都是目前文獻上最為優異的架 構。其脈衝輸出主要是利用外部共振腔來完成 FP-LD 的自我注入機 制。而為了解決前一個架構的缺點，我們利用在共振腔內加入一個可 調的光延遲器，有效的解決了前一個架構中共振腔腔長與調變頻率的 不匹配的問題，使得系統的可調範圍達到了 46.6nm 以上，同時 SMSR 介於 33.5dB-39dB 之間，在調變頻率為 2000MHz 的條件之下，不同 波長的脈衝寬度都可以被控制在 45ps 附近。
理論上此架構的可調範圍應該可以再延伸，然而受限於可調濾波 器的限制，因此目前只能調整到 46.6nm。如果我們可以找到一個波 長可調範圍更寬廣的濾波器配合適當的光放大器以及 FP-LD，系統仍 然可以再更進一步提高波長的可調範圍。