高轉換效率的平坦化長波段摻鉺光纖放大器之設計與研製

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 指導教授 : 陳永光博士. 高轉換效率的平坦化長波段摻鉺光纖放大器之設計與研製 Design and Fabrication of High Conversion-Efficiency Flattened L-band Erbium Doped Fiber Amplifier. 研究生 : 洪詩蕾撰. 中華民國九十一年六月.

(2) 誌. 謝. 本論文得以順利完成，首先要感謝陳永光教授，引領我進入光纖通信網路的世界。這兩年期間，不僅提供豐富的研究資源，亦悉心指導解決問題的方法，使得實驗與論文得以順利完成，在此致上最高的敬意與謝意。在論文的理論模擬部分，要感謝高雄海洋科技大學梁財春教授所提供的寶貴協助；在實驗方面，感謝中華電信研究所江先生提供的可調式雷射，還要感謝小蔡在實驗技巧的熱心教導及小糜將愛車慷慨相借。由於這些幫助，本論文才能夠順利完成，特於此表示感謝之意。研究所兩年中，得到許多人的協助，感謝張嘉雄、郭萓侑及蘇鈴惠等學長姊們在課業上的指導；感謝實驗室的同窗好友小糜、小蔡、阿湯哥給予的鼓勵及愛護，更感謝羅偉及曼倩分享我在生活上的點點滴滴，在此獻上真摯的謝意。最後謹將本論文獻給我最親愛的父母與家人，由於你們的關懷與支持，使我順利完成研究所的學業，特以本文表達由衷的感恩之情。. 洪詩蕾謹誌于光通信實驗室. I.

(3) 中文摘要. 本論文針對高轉換效率的平坦化長波段摻鉺光纖放大器進行研究，分別在 980 nm 及 1480 nm 的幫激波長下找出最佳的架構。我們以在各個波道能達到最高的輸出功率下，32 個波長的增益平坦度＜0.7 dB，雜訊指數 NF＜6 dB 作為設計的準則。模擬的九種架構包含了（a）雙前向幫激（b）雙後向幫激（c）前後向幫激（d）後前向幫激，再分別討論有無加入光隔離器的架構。最後找出在 1480 nm 幫激波長下的 FBIp 架構為具有高轉換效率且增益平坦的長波段摻鉺光纖放大器。我們亦實際組裝與理論模擬相同之最佳架構的長波段摻鉺光纖放大器並量測其特性，發現模擬的結果和實驗的數據吻合。最後，我們探討傳統波段摻鉺光纖放大器加入增益平坦濾波器來維持 32 個波道增益的平坦。長波段(L-band)的放大器與傳統波段 (C-band) 的摻鉺光纖放大器並行使用，能夠增加 DWDM 系統的容量達一倍以上，達成寬頻放大器的目標。. II.

(4) ABSTRACT In this thesis, we theoretically investigate optimum configurations of high conversion efficiency and gain-flattened L-band (1570-1600 nm) erbium-doped fiber amplifier (EDFA) by employing the 1480 nm and 980 nm bi-directional pumping configuration. The design criterion of L-band EDFA is to achieve highest channel output power while keeping the differential channel gain to be ＜0.7 dB among 32 channels with low channel noise figure of ＜6 dB. The nine L-band EDFA configurations are examined and compared. These configurations considered include the dual-forward, dual-backward, and different bi-directional pumping schemes, each with and without the midway optical isolator.. Among. all. configurations,. we. find. that. the. pump-pass. case. in. forward-and-backward pumping scheme by employing the 1480 nm pumping wavelength is the best configuration to offer the highest channel output power with good channel gain uniformity and moderate low noise figure. Then we verified the simulation results through experiments. We also theoretically investigate gain-flattened C-band (1530-1560 nm) EDFA. Using L-band and C-band EDFAs in parallel, we can greatly expand the amplification wavelength region.. III.

(5) 內容目錄誌謝 ..................................................................................................................I 中文摘要 ........................................................................................................ II 英文摘要 ....................................................................................................... III 內容目錄 .......................................................................................................IV 表目錄 ............................................................................................................ V 圖目錄 ...........................................................................................................VI 第一章簡介 ................................................................................................... 1 1.1 研究背景 .......................................................................................... 1 1.2 研究動機 .......................................................................................... 2 1.3 論文結構 .......................................................................................... 2 第二章長波段摻鉺光纖放大器之理論與模擬........................................... 3 2.1 長波段摻鉺光纖放大器基本原理 .................................................. 3 2.2 980 nm 雙幫激長波段摻鉺光纖放大器之理論模擬................... 4 2.3 1480 nm 雙幫激長波段摻鉺光纖放大器之理論模擬............... 10 2.4 討論..……………………………………………………..……….12 第三章長波段摻鉺光纖放大器之實驗..................................................... 13 3.1 光放大器特性參數的定義與量測方法 ........................................ 13 3.2 元件的特性量測與放大器的組裝 ................................................ 17 3.3 1480 nm 幫激波長 FBIp 架構..................................................... 18 3.4 980 nm 幫激波長 FBIp 架構....................................................... 21 3.5 討論...……………………………………………………………..23 第四章寬頻摻鉺光纖放大器之設計與模擬............................................. 24 4.1 傳統波段摻鉺光纖放大器之理論與模擬 .................................... 24 4.2 寬頻摻鉺光纖放大器 .................................................................... 28 第五章結論 ................................................................................................. 29 參考文獻 ....................................................................................................... 31 附表 ............................................................................................................... 33 附圖 ............................................................................................................... 39. IV.

(6) 表目錄頁次表一九種長波段摻鉺光纖架構及其代表符號…………… …..………..……33. 表二摻鉺光纖( HP980 )的特性資料…………...…………...….……………….33 表三長波段摻鉺光纖放大器模擬參數………………..……..……..………….34 表四(a) 980 nm 幫激波長九種架構模擬結果……………………….………..35 表四(b) 1480 nm 幫激波長九種架構模擬結果……………..…………………35 表五 HighWave Optical Technologies ER741 摻鉺光纖的特性規格……...36 表六光隔離器的特性量測…………………………..…………………………….37 表七長波段分波多工器的特性量測…………………………..……………. …38 表八傳統波段摻鉺光纖放大器的模擬參數………………………………….38. V.

(7) 圖目錄圖 2-1. 頁次 3+ Er 離子的部分能階圖………….………………………………… 39. 圖 2-2. 1.58-µm 波段之放大原理說明……………………...…….……… 39. 圖 2-3. 放大器的元件差入損失與接點熔接損失…………………...… 40. 圖 2-4. 九種長波段摻鉺光纖放大器架構…………………………….… 41. 圖 2-5. 長波段摻鉺光纖放大器模擬流程圖……………………………. 42. 圖 2-6. 980 nm 幫激波長下九種架構所需摻鉺光纖長度…….……... 43. 圖 2-7(a) 980 nm 幫激波長 32 個波道的輸出功率(不加隔離器架構). 43 圖 2-7(b) 980 nm 幫激波長 32 個波道的雜訊指數(不加隔離器架構). 44 圖 2-8(a) 980 nm 幫激波長 32 個波道的輸出功率(加入隔離器架構). 44 圖 2-8(b) 980 nm 幫激波長 32 個波道的雜訊指數(加入隔離器架構). 45 圖 2-9. 980 nm 幫激波長九種架構比較………………………..……… 45. 圖 2-10. 980 nm 幫激波長 FBIp 架構(改變幫激波長)………………….. 46. 圖 2-11. 1480 nm 幫激波長下九種架構所需摻鉺光纖長度……….…. 46. 圖 2-12(a) 1480 nm 幫激波長 32 個波道的輸出功率(不加隔離器架構)……………………………………………………………………….. 47 圖 2-12(b) 1480 nm 幫激波長 32 個波道的雜訊指數(不加隔離器架構)………………………………………………………………………. 47 圖 2-13(a) 1480 nm 幫激波長 32 個波道的輸出功率(加入隔離器架構)………………………………………………………………………. 48 圖 2-13(b) 1480 nm 幫激波長 32 個波道的雜訊指數(加入隔離器架構)……………………………………………………………………… 48 圖 2-14 1480 nm 幫激波長九種架構比較……………………...……..… 49 圖 2-15. FBIp 架構(改變幫激波長)………………………………………… 49. 圖 2-16. 50 1480 nm 幫激波長 FBIp 架構(改變各波道輸入功率)…………. 圖 2-17. 1480 nm 幫激波長 FBIp 架構 32 個波道輸出頻譜…………… 50. VI.

(8) 圖 3-1. 量測光增益及雜訊指數的裝置圖……………………………… 51. 圖 3-2. 量測 ASE 位準之方法……………………………………………... 51. 圖 3-3. 放大器在 WDM 系統特性之量測裝置……………….………... 52. 圖 3-4(a) 1480 nm 幫激雷射之輸出頻譜……………………………...……. 52 圖 3-4(b) 980 nm 幫激雷射之輸出頻譜………….……………………………53 圖 3-5. 光隔離器各波長所對應插入損失………….………………………53. 圖 3-6. 1.48/1.58μm 分波多工器各波長所對應插入損失………….. 54. 圖 3-7. 不同長度摻鉺光纖的 ASE 頻譜 (1480 nm 幫激波長)…….... 54. 圖 3-8(a) 放大器輸出頻譜 (1480 nm 幫激波長) 10+80 m…...………… 55 圖 3-8(b) 放大器輸出頻譜 (1480 nm 幫激波長) 10+90 m.…...………... 55 圖 3-8(c) 放大器輸出頻譜 (1480 nm 幫激波長) 10+103 m………...….. 56 圖 3-9 圖 3-10. 在不同長度摻鉺光纖下 32 個波長的增益值 (1480 nm 幫激波長)………………………………………………………………... 56 實驗與模擬的結果比較(I) (1480 nm 幫激波長)……………… 57. 圖 3-11. 實驗與模擬的結果比較(II) (1480 nm 幫激波長)…………..… 57. 圖 3-12. 不同長度摻鉺光纖的 ASE 頻譜 (980 nm 幫激波長)……..…. 58. 圖 3-13. 放大器輸出頻譜 (980 nm 幫激波長)………………….……...... 58. 圖 3-14 圖 3-15. 在不同長度摻鉺光纖下 32 個波長的增益值 (980 nm 幫激波長)…………………………………………………………………… 59 實驗與模擬的結果比較(I) (980 nm 幫激波長)……………….. 59. 圖 3-16. 實驗與模擬的結果比較(Ⅱ) (980 nm 幫激波長)…………..…. 60. 圖 4-1. 傳統波段摻鉺光纖放大器架構…………………...……………... 61. 圖 4-2. EDFA 加入增益平坦化濾波器…………………………..……….. 61. 圖 4-3. 32 個訊號輸出功率頻譜在未加入增益平坦濾波器前…… ..62. 圖 4-4. 32 個訊號輸出功率頻譜在加入增益平坦濾波器後…..….. ...62. 圖 4-5. 增益平坦濾波器頻譜…….………………………..……………. ..63. VII.

(9) 圖 4-6. C+L band 輸出功率頻譜…………………………………………. 63. 圖 4-7. 64 C+L band 輸出增益及雜訊指數……………………………………. 圖 4-8. C+L band 輸出增益及雜訊指數(加入光隔離器)………………64. 圖 4-9. 32 個訊號輸出功率頻譜(加入光隔離器)……………………… 65. 圖 4-10 增益平坦濾波器頻譜…………..…………………………………... 65 圖 4-11 C+L band 輸出功率頻譜(改變輸入波長)…………………….. 66 圖 4-12 C+L band 輸出增益及雜訊指數(改變輸入波長)……..…..… 66 圖 4-13 增益平坦濾波器頻譜(改變輸入波長)……………..……..…… ..67 圖 4-14 傳統波段與長波段摻鉺光纖放大器的並行架構…………..... 67 圖 4-15 傳統波段與長波段摻鉺光纖放大器的並行架構……..…..…. 68. VIII.

(10) IV.

(11) 第一章. 簡介. 1.1 研究背景光纖通信網路中，摻鉺光纖放大器 (erbium-doped fiber amplifier, EDFA)具備了高增益、低雜訊、寬頻帶、低波道間串音與極化無關等良好特性[1]，在1990年商用後，立即被廣泛應用在長距離傳輸系統中。在分波多工器 (wavelength division multiplexing,WDM)系統中所使用之傳統摻鉺光纖放大器的增益頻寬由 1530~1560 nm [2, 3] ，約 30 nm ，一般稱為 C-band (conventional-wavelength band) 。為了提高高密度分波多工器 (dense wavelength division multiplexing，DWDM)系統的容量，國際間積極地開發寬頻的光纖放大器，而所增加的長波段波長傳輸範圍則由1570~1600 nm，稱為L-band (long-wavelength band)。長波段摻鉺光纖放大器的使用拓展了摻鉺光纖放大器的波長範圍，增加了可傳輸的頻道數及在單一單模光纖中的傳輸容量，而若將傳統波段和長波段的摻鉺光纖放大器並行使用(寬頻摻鉺光纖放大器,broad-band EDFA)，則 DWDM 系統的傳輸容量將可增加為原來的二倍以上。長波段摻鉺光纖放大器除了能夠擴增 DWDM 系統的傳輸容量，還有另一項優點，即在長波段的放大範圍中使用色散平移光纖(DSF)來作 DWDM 系統的傳輸，可以避免四波混合的非線性效應所造成的系統性能劣化，這是由於色散平移光纖的零色散波長不在長波段放大範圍中[4]。目前已有許多寬頻光纖放大器的架構被提出，(一)新的基體材料，例如以碲為基底(tellurite-based)[5]或氟為基底(fluoride-base)[6] 的摻鉺光纖放大器；(二)使用傳統波段與長波段的摻鉺光纖放大器並行的架構[7]；(三)特殊增益的摻鉺光纖放大器與拉曼放大器的串聯架構[8]；(四)利用傳統波段摻鉺光纖放大器後向的放大自發性輻射(amplified spontaneous emission, ASE)作為長波段的幫激光源，提高長波段的增益[9]。由於以新材料為基底的摻鉺光纖放大器， 1.

(12) 有增益不平坦，實際上不容易操作及相關研究較不成熟的缺點，而串聯使用拉曼放大器必須要用功率非常高的雷射來做幫激光源，所以很多單位將重點放在長波段摻鉺光纖放大器的研究上。. 1.2 研究動機使用長度較長的傳統摻鉺光纖配合高功率幫激光源，可以達成長波段放大的效果，國外許多研究即以不同的架構與條件來製造長波段摻鉺光纖放大器。因此，我們設計九種不同的雙幫激架構來進行模擬及實驗，藉由調整摻鉺光纖的長度，達成增益平坦化的目的，並經由對長波段摻鉺光纖放大器各種架構的理論模擬分析，期許能夠設計出最佳的架構，完成高功率轉換效益、高輸出功率、低雜訊指數和增益平坦特性的長波段摻鉺光纖放大器技術，製造適合DWDM系統使用之長波段放大器，並可延伸發展 DWDM系統使用之寬頻光放大器。過去有人使用單級單一雷射前向幫激的架構，來比較980 nm與1480 nm之幫激波長對長波段摻鉺光纖放大器的特性影響[10]。本論文中主要研究雙幫激架構長波段摻鉺光纖放大器在多波長系統下的特性影響，分別採用980 nm 及1480 nm之幫激波長來進行模擬及實驗。. 1.3 論文結構論文中針對長波段摻鉺光纖放大器進行研究，進而使用傳統波段與長波段的摻鉺光纖放大器並行的架構，來達到最終寬頻放大器的目標。在第二章中數值模擬及分析分別在980 nm及1480 nm 兩種幫激波長下，九種長波段摻鉺光纖放大器架構的特性，找出適合DWDM系統使用並有高功率、高轉換效率之長波段摻鉺光纖放大器。在第三章中，實際組裝並量測放大器的特性參數及觀察輸出頻譜，並就量測與模擬的結果作比較與討論。在第四章中，數值模擬增益平坦的傳統波段摻鉺光纖放大器，達到長波段加傳統波段的寬頻放大的結果。最後，在第五章中對研究成果作總結。在本論文的附圖中，若各數據間以虛線的方式連接，代表其數值並無明顯的關聯性，只是為了容易分辨同一組數據方便比較。 2.

(13) 第二章長波段摻鉺光纖放大器之理論與模擬在本章中，將先介紹長波段摻鉺光纖放大器的基本原理，並說明本論文中所使用的長波段摻鉺光纖放大器模擬軟體、模擬參數及流程。然後討論分別在 980 nm 及 1480 nm 的幫激波長下，九種雙幫激長波段摻鉺光纖放大器架構的特性。. 2.1 長波段摻鉺光纖放大器基本原理摻鉺光纖放大器的工作原理與雷射的工作原理大致相似，包括增益介質和幫激系統，但沒有光學共振腔。其基本元件包括摻鉺光纖 (EDF) 、幫激雷射、分波多工器 (WDM) 及光隔離器 (Isolator)。摻鉺光纖的物理結構和一般單模光纖相似，鉺離子(Er+3) 摻雜在 EDF 中央纖核(core)的部分，一般 EDF 的纖核直徑約 3-6 µm，此即幫激光源和信號發生能量交換的地方。圖 2-1 為鉺離子的能階圖，鉺離子受到外加幫激光源的激發從基態能階躍遷至較高能階，當入射光進入光纖的纖核中與激態的鉺相遇，就會引起受激性輻射(stimulated emission)的發生，產生和入射光源相同相位及方向的光子，達成光信號放大的作用。鉺離子在激態的存活時間約 10 ms，一些沒有與入射光發生作用的激態電子會以自發性輻射的方式回到基態能階，這些方向與相位隨機的自發性輻射受到放大之後成為最主要的雜訊，被稱作放大的自發性輻射(amplified spontaneous emission, ASE)。摻鉺光纖放大器的增益頻譜與 σ e ( λ ) N 2 − σ a ( λ ) N 1 的指數關係成正比，在固定的幫激功率下，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益頻譜會往長波長方向平移。這是因為幫激功率不足使得居量反轉程度(population inversion)N2 減少，讓短波長的範圍發生較明顯的吸收現象，而長波長區域的輻射截面(emission cross section)仍高於吸收截面(absorption cross section)，會有增益的效果。於是最早有人以35%的居量反轉條件下使用1.55 μm的幫激光源製造出長波段放大效果（1570-1610 nm）的摻鉺光纖放大器[11, 12]。由於. 1.55 μm的幫激光源並不方便，需由1480 nm或980 nm的幫激光源先幫激一段EDF，才能產生1.55μm波段的幫激光源。之後有研究 3.

(14) 利用一般的980 nm及1480 nm 幫激雷射來製作長波段摻鉺光纖放大器，並應用在WDM系統上[10, 13, 14]。長波段摻鉺光纖放大器可用以石英為基體的傳統摻鉺光纖來製造，系統架構也和傳統摻鉺光纖放大器相同，不同是必須使用較長的摻鉺光纖，調整摻鉺光纖的居量反轉程度，使其在長波段的範圍有較好的增益。由於較低的居量反轉程度所以造成長波段摻鉺光纖放大器的雜訊指數(noise figure, NF)會比傳統波段摻鉺光纖放大器來得高。圖 2-2 說明長波段摻鉺光纖放大器的放大原理. [15]，摻鉺光纖的前段部分吸收 980 nm 或 1480 nm 波長的幫激光源，會產生 1.55 μm 波段的 ASE，這些 ASE 被後段的摻鉺光纖所吸收作為 1.58 μm 波段的幫激光源，達成長波段放大的目的。如此的幫激機制造成長波段摻鉺光纖放大器的功率轉換效益. (Power conversion efficiency，PCE)並不理想，必須使用高功率的幫激雷射來維持足夠的輸出信號之功率。如何產生夠強的 ASE 功率並善加利用，是提高功率轉換效益的重要考量[16, 17]，這和傳統摻鉺光纖放大器的設計觀念有很大的差異。更長波長的信號增益會因為激態能階吸收(excited state absorption, ESA)出現在 1.6 μm 附近而迅速下降。. 2.2. 980 nm雙幫激長波段摻鉺光纖放大器之理論模擬. 2.2.1 模擬軟體我們使用 Lucent Technologies 所出版的光纖放大器模擬軟體. (OASIX Version 3.0)來作分析，該軟體可以對 1500-1650 nm 的信號波長作模擬，符合長波段使用的要求。模擬程式所使用的摻鉺光纖模型為 Giles Model [18]，是根據吸收與輻射截面的頻譜分佈作為參數，藉由對光譜沿著光纖往前及往後之發展方向作積分直到收斂，而求得速率和傳播方程組的解。Giles Model 能夠準確的分析傳統摻鉺光纖的特性，被廣泛的應用在傳統波段摻鉺光纖放大器的模擬分析；在此使用它來分析長波段摻鉺光纖放大器的特性。 4.

(15) 2.2.2 模擬的修正計算圖 2-3 為放大器元件插入損失與接點熔接損失的量測資料。數值模擬僅針對進入摻鉺光纖的信號功率及幫激功率作計算，範圍如圖上虛線框框所示。而實際上放大器的增益及雜訊指數，必須考慮放大器在輸入端及輸出端功率損失的影響。先定義一些變數，在將詳細的修正計算說明如下:. Lin：輸入端元件及熔接所造成的總功率損失 Lout：輸出端元件及熔接所造成的總功率損失 Pin：放大器的信號輸入功率 Pout：放大器的信號輸出功率 Sin：信號進入光纖的功率(模擬所使用的信號輸入功率) Sout：信號出光纖的功率(模擬所得到的信號輸出功率) GS：理論模擬之增益 NFS：理論模擬之雜訊指數 PSASE：理論模擬之 ASE 雜訊位準 GA：放大器的實際增益 NFA：放大器的實際雜訊指數 PAASE：放大器的 ASE 雜訊位準. 依定義:Sin(dBm)＝Pin(dBm)－Lin(dB). Pout(dBm)＝Sout(dBm)－Lout(dB). (1) (2). 因此，GA(dB)＝Pout(dBm)－Pin(dBm) ＝GS(dB)－Lin(dB)－Lout(dB) 5. (3).

(16) 又因為，PAASE(dBm)＝PSASE(dBm)－Lout(dB) 且. (4). NF ( dB ) ≈ PASE ( dBm) − G ( dB ) − 30 − 10 log10 ( hνB0 ). 因此，NFA(dB)－NFS(dB). ≈ [PAASE(dBm)－GA(dB)]－[ PSASE(dBm)－GS(dB)] (5) 由式(3)-(5)可得到，NFA(dB) ≈ NFS(dB)＋Lin(dB). (6). 我們使用的信號輸入功率 Pin，前向與後向幫激功率都是 125. mW，依上面公式，將元件的插入損失減掉，所以模擬時所使用的信號輸入功率 Sin 為 114 mW，最後所得到的輸出功率 Sout、雜訊位準 PSASE (dBm) 、信號增益與雜訊指數都必須用以上的公式作修正，才能符合實際的結果。將熔接點及所使用元件的插入損失設定如下：每一個熔接點的損失為 0.1 dB，分波多工器的插入損失為 0.2 dB，光隔離器的插入損失為 0.5 dB。. 2.2.3 模擬的架構圖 2-4 描述 9 種雙幫激長波段摻鉺光纖放大器架構，依幫激位置分（a）雙前向幫激（b）雙後向幫激（c）前後向幫激（d）後前向幫激。圖中間的虛線部分代表有無加入光隔離器，光隔離器是只能讓信號單向通過的元件，加入了光隔離器是為了防止放大自發性輻射(ASE)及信號逆向傳播；依據光隔離器的有無，所以（a）雙前向幫激又可分成 FF、FFI 兩種架構(F 代表前向幫激、B 代表後向幫激、I 代表有加入光隔離器)；（b）雙後向幫激分 BB、. BBI 兩種架構；（c）前後向幫激分成 FB、FBIb、FBIp 三種架構；（d）後前向幫激分成 BF、BFI 兩種架構。其中 FB 架構為單級架構；FBIb (pump-blocked case)架構為圖 2（c）下方虛線框所表示，這個架構使剩餘的前向幫激功率因中間的光隔離器而衰減掉，剩餘的後向幫激功率因其傳輸方向和光隔離器反向，也被隔絕了；而 FBIp (pump-passed case)架構為圖 2（c）上方虛線框所表示，這 6.

(17) 個架構使剩餘的前向幫激功率能夠經由下方的路徑(利用兩個分波多工器與光隔離器形成並行的架構)傳遞到第二級的摻鉺光纖，亦使剩餘的後向的幫激功率能傳遞到第一級的摻鉺光纖，使幫激功率更有效運用。表 1 列出了這九種長波段摻鉺光纖放大器的架構以及其代表符號。前向幫激的工作方式，能在信號輸入端達成高的居量反轉，而有低雜訊指數的優點；後向幫激的工作方式，能在輸出端提供較強的幫激功率延遲增益飽和現象的發生，達到高功率輸出的目的；同時使用前向與後向幫激的雙向幫激架構，其兼具高功率及低雜訊指數的特性。一般前向幫激型的摻鉺光纖放大器，有低雜訊的優點，主要用作前置放大器(pre-amplifier);後向幫激型的摻鉺光纖放大器，有高功率輸出的優點，主要用作功率放大器(power. amplifier)。 2.2.4 參數設定模擬使用的傳統摻鉺光纖，纖核半徑約為 1.93 μm，模場直徑 6.7 μm，截止波長為 935 nm，表 2 為摻鉺光纖的特性資料。我們所使用的幫激波長為 980 nm，幫激功率皆為 125 mW，每個分波多工器(980/1580 nm)的插入損失為 0.2 dB，光隔離器的插入損失為 0.5 dB，其隔離度為 50 dB。32 個信號波長是依 ITU 規範，波道間隔 0.8 nm：1574.54 nm、1575.37 nm、1576.19 nm、1577.02. nm、1577.85 nm…1598.89 nm、1599.74 nm、1600.60 nm。每個輸入信號的功率為-18.5 dBm。長波段摻鉺光纖放大器的參數列於表. 3 中。 980 nm 波長的幫激方式可以用三能階系統來表示，如圖 2-1 所示，鉺離子被激發至 4I11/2 能階隨後很快的(~2 µs) 掉到較穩定的 4I13/2 能階並停留在此，因此 980 nm 波長的幫激可以維持高居量反轉，而有低雜訊指數的特性。. 7.

(18) 2.2.5 模擬流程圖首先要先找出各架構能達到增益平坦的最佳摻鉺光纖長度。在 1575-1600 nm 輸入 32 個 ITU 標準波道，當每一波道之光輸入功率為-18.5 dBm 時，能夠符合增益平坦度 ∆G (Gmax - Gmin)＜0.7. dB，最大光雜訊指數 NF＜6 dB 的條件，並以輸出光功率最大者，為最佳的長度選擇。我們使用兩個迴圈來找出各個架構符合上述條件的摻鉺光纖長度，每跑一次迴圈，摻鉺光纖長度增加 1 m。圖. 2-5 為找出最佳摻鉺光纖長度的步驟流程圖，最後找到最佳長度 LT = EDF1 + EDF2。表 4 是利用上述方法所得到的九種架構資料，包含了各架構的最佳摻鉺光纖長度，及在此長度下 32 個波道得到的增益最大、最小值，和 32 個波道中雜訊指數的最大、最小值。. 2.2.6 九種架構的模擬結果討論圖 2-6 為在 980 nm 幫激波長下，九種架構所需的最佳摻鉺光纖長度，由圖可知 FBIp 架構所需的摻鉺光纖長度最長 144 m；BF 架構所需的摻鉺光纖長度最短 115 m。FBIp 架構能將幫激的功率充分運用，所以進入摻鉺光纖中的幫激功率較大，因此所需要的摻鉺光纖較長。又由表 4(a)知 FBIp、BB、BBI、BF、BFI 架構的第一段摻鉺光纖長度較第二段的摻鉺光纖短，約佔各架構摻鉺光纖總長的 5.6〜13.6 %；而 FF、FFI、FBIb 架構的第一段摻鉺光纖長度約為各架構總摻鉺光纖長度的 76.9〜81.1 %。以下將九種架構分成兩組，不加入光隔離器及加入光隔離器的架構來討論。. [A] 不加入光隔離器的架構圖 2-7（a）表示 FF、FB、BB、BF 四種不加入光隔離器的架構每個波道的輸出功率值，圖 2-7（b）表示 FF、FB、BB、BF 四種架構每個波道的雜訊指數值。由圖 2-7 可知 BB 架構平均每個波道有最高的輸出功率 1.7 dBm，而 FF 架構有最低的雜訊指數 NF ＜5 dB。. 8.

(19) [B] 加入光隔離器的架構圖 2-8（a）表示 FFI、FBIb、FBIp、BBI、BFI 五種加入光隔離器的架構每個波道的輸出功率值，圖 2-8（b）表示 FFI、FBIb、. FBIp、BBI、BFI 五種架構每個波道的雜訊指數值。由圖 2-8 可知 FBIp 架構平均每個波道有最高的輸出功率 2.5 dBm，亦有最低的雜訊指數 NF＜4.4 dB；FBIb 架構平均每個波道有最低的輸出功率. 1.1 dBm，亦有最高的雜訊指數 NF＜6 dB。由以上的結果可知，FBIp 架構是在所有九種架構中，每個波道平均有最高的輸出功率 2.5 dBm，且有最低的雜訊指數 NF＜4.4. dB 的架構。圖 2-9 將九種架構其 32 個波道的增益平坦度(∆G)、最大的雜訊指數(NFmax)、最大的增益(Gmax)及功率轉換效益(PCE：總輸出功率與總幫激功率的比值)做個比較。圖中 FBIp 架構有最高的功率轉換效益 PCE = 22.7%，且 Gmax 有最大值 21.3 dB，NFmax 有最小值 4.3 dB。所以歸納出在這九種 980 nm 雙幫激的長波段摻鉺光纖放大器中，FBIp 為最佳的架構。. 2.2.7 FBIp 架構討論 [A] 改變幫激波長對輸出增益的影響摻鉺光纖在 980 nm 的吸收波段較窄，因此 980 nm 幫激雷射常會加上光纖布拉格光柵(Fiber Bragg-grating, FBG)以選擇共振波長的方式提供精準的幫激波長[19]。根據文獻上記載，在單一波長訊號(1565 nm)下，已知在輸入功率為 -4.93 dBm 和 -9.91 dBm 時，隨著幫激波長改變 980 ± 30 nm，此單一信號的輸出功率分別增加了 3 和 5 dB，在幫激波長改變 980 ± 20 nm，雜訊指數只有 0.5. dB 的劣化[20]。接下來將討論多波長訊號在改變幫激波長後對系統造成的影響。圖 2-10 是 FBIp 架構，32 個輸入訊號，每個波道的輸入功率為 -18.5 dBm，幫激功率皆為 125 mW 時，改變幫激波長從 960~990 9.

(20) nm 所得到的結果。明顯的可以看出在 32 個波長中最大的雜訊指數(NFmax)及增益變化量(∆G)，隨著幫激波長的變化並沒有很大的改變，不過在幫激波長為 990 nm 時有最好的功率轉換效益 PCE =. 24.6 %；幫激波長為 970 nm 時有最低的功率轉換效益 PCE = 22.3 %，但相差並不大。我們發現在多波長系統下，改變幫激波長，並沒有像單一波長信號在輸出功率有明顯的 3~5 dB 的增加，主要是因為在多波長的系統中，不同波長的光一起進入摻鉺光纖放大器，放大器的總輸出功率會由這些波長所分享，所以 32 個波長的增益就沒有明顯的改變。. 2.3 1480 nm 雙幫激長波段摻鉺光纖放大器之理論模擬 2.3.1 1480 nm 幫激雷射 1480 nm 波長的幫激方式因為幫激與信號躍遷都是在同一能帶上，通常用二能階系統來表示。1480 nm 波長的幫激有許多優點，包括(1)在這個波長的高功率半導體雷射容易取得；(2)有很好的功率轉換效益(一般可達 75.6 %)[21]；(3)在 1480 nm 有較寬的吸收頻譜使得幫激雷射的波長不需要非常精準。過去有人使用單級單一雷射前向幫激的架構，來比較 980 nm 與 1480 nm 之幫激波長對長波段摻鉺光纖放大器的特性影響. [10]。結果顯示 1480 nm 波長的幫激，除了雜訊指數稍高於 980 nm 的幫激外，具有較佳的功率轉換效益及平坦增益係數(平坦化的信號增益對幫激功率的比值)，所以我們也用 1480 nm 幫激波長取代. 980 nm 幫激波長來進行比較。 2.3.2 九種架構的模擬結果討論圖 2-11 為在 1480 nm 幫激波長下，九種架構所需的最佳摻鉺光纖長度，可知 FBIp 架構所需的摻鉺光纖長度最長 159 m；FF、. FFI、BF、BFI 四種架構所需的摻鉺光纖長度最短皆為 134 m。同 10.

(21) 樣的由表 4(b)知，FBIp、BB、BBI、BF、BFI 架構的第一段摻鉺光纖長度較第二段的摻鉺光纖短，佔各架構摻鉺光纖總長的 6.7〜. 19.9 %，而 FF、FFI、FBIb 架構的第一段摻鉺光纖長度約為各架構總摻鉺光纖長度的 72.8〜94 % 。與圖 2-6 使用 980 nm 幫激波長來比較，發現使用 1480 nm 幫激波長所需最佳的摻鉺光纖長度較使用 980 nm 幫激波長來的長，主要是因為 980 nm 幫激是三能階系統，可以維持高居量反轉，使得所需的摻鉺光纖長度較短，即可達到相同的條件。. [A] 不加入光隔離器的架構圖 2-12（a）表示 FF、FB、BB、BF 四種不加入光隔離器的架構每個波道的輸出功率值，圖 2-12（b）表示 FF、FB、BB、BF 四種架構每個波道的雜訊指數值。由圖 2-12 可知 FB 架構平均每個波道有最高的輸出功率 4.5 dBm，而 FF、FB 架構有較好的雜訊指數 NF＜5 dB。. [B] 加入光隔離器的架構圖 2-13（a）表示 FFI、FBIb、FBIp、BBI、BFI 五種加入光隔離器的架構每個波道的輸出功率值，圖 2-13（b）表示 FFI、FBIb、. FBIp、BBI、BFI 五種架構每個波道的雜訊指數值。由圖 2-13 可知 FBIp 架構平均每個波道有最高的輸出功率 5 dBm，平均每個波道的雜訊指數小於 4.5 dB。BFI 架構平均每個波道有最低的輸出功率. 1.5 dBm，而 BBI 架構有最高的雜訊指數 NF＜5.8 dB。 FBIp 架構亦是在九種 1480 nm 雙幫激長波段摻鉺光纖放大器中最佳的架構。圖 2-14 中比較在 1480 nm 幫激下各架構 32 個波道的增益平坦度、最大增益、最大雜訊指數及功率轉換效益。FBIp 架構有最高的功率轉換效益 PCE = 40.8 %，且 Gmax 有最大值 23.9. dB。. 11.

(22) 2.3.3 FBIp 架構的特性討論 [A] 幫激波長對輸出增益的影響：在同樣 FBIp 架構下，改變幫激波長 1460~1490 nm，幫激功率亦為 125 mW，觀察其 32 個波道的增益變化量、最大增益、最大雜訊指數及功率轉換效益是否也會有些改變。圖 2-15 中可以發現改變幫激波長從 1460~1490 nm，增益平坦度、最大增益、最大雜訊指數及功率轉換效益都隨幫激波長增加而變大，不過變大的幅度相當小，同樣的也是因為放大器的總輸出功率由 32 個波長所共同分享了。圖中也將幫激波長 960~990 nm 的數據一起加入。. [B] 改變輸入功率：在 FBIp 架構下，使用 1480 nm 幫激波長，改變 32 個波道的輸入功率為 -18.5 ± 1 dBm、-18.5 ± 2 dBm、-18.5 ± 3 dBm，觀察隨著輸入功率的改變，32 個波道增益平坦度、最大增益和最大雜訊指數的變化。由圖 2-16 知，為了維持 32 個波道增益變化量 ∆G ≦1 dB，及 32 個波道間最大的雜訊指數 NFmax≦5 dB，各波道輸入功率範圍必須在-17.5 ~ -19 dBm 間，即圖上用灰色框起來的部分，所以對於增益平坦的輸入信號功率範圍相當窄。模擬的 32 個波道輸入功率 -18.5 dBm，在此條件內。圖 2-17 是 32 個通道在 1480 nm 幫激波長，FBIp 架構下的輸出功率頻譜圖，波道間隔為 0.8 nm，增益變化量為 0.6 dB。. 2.4 討論由以上的討論，不論幫激波長為 980 nm 或是 1480 nm，FBIp 皆為最佳的架構，明顯的採用 1480 nm 幫激波長的效果又較 980. nm 幫激波長好。1480 nm 幫激得到的功率轉換效益較高，約為 980 nm 幫激的兩倍；而在 32 個波道中的最大輸出功率 Gmax ，使用 1480 nm 幫激又較 980 nm 幫激多了約 2.5 dBm，所以雙幫激長波段摻鉺光纖放大器，使用 1480 nm 幫激波長的 FBIp 架構是為最佳的設計。 12.

(23) 第三章長波段摻鉺光纖放大器之實驗根據上一章模擬結果，選擇 1480 nm 及 980 nm 幫激波長下的. FBIp 架構來進行實驗，量測放大器的特性參數並觀察其輸出頻譜，目的在驗證模擬結果並製造適合 DWDM 系統使用之高功率轉換效益的增益平坦化長波段摻鉺光纖放大器。. 3.1 光放大器特性參數的定義與量測方法摻鉺光纖放大器的增益、雜訊指數、增益平坦度及輸出功率等特性被用來衡量放大器的好壞，決定放大器的用途。在這裡先定義光放大器的特性參數及量測的方法。. 3.1.1 增益 (Gain) 增益是放大器最基本的參數，定義作輸入信號功率與輸出信號功率的比值，用分貝(dB)來表示。計算式如下:. Gain( dB ) = 10 log10 (. Psignal −out Psignal −in. (3.1). ). 量測時使用光譜分析儀(Optical spectrum analyzer, OSA)來量測輸入信號與輸出信號位準，因為 ASE 雜訊會伴隨著信號輸出，所以必須將量到的輸出功率扣除雜訊位準，式子修正成[3]:.  ( Psignal −out + Pnoise−out ) − Pnoise−out  Gain( dB ) = 10 log10   Psignal −in  . (3.2). 3.1.2 光雜訊與雜訊指數 (noise figure, NF) ASE 是摻鉺光纖放大器最主要的雜訊，因為在摻鉺光纖中有兩種極化模態存在，特定頻率ν與頻寬 ∆ν 條件下的 ASE 功率可以表示成[1]:. PASE = 2n sp hν (G − 1) ∆ν 13. (3.3).

(24) 其中，hν為光子的能量、G 為放大器的增益，nsp 則是居量反轉因子，定義為[1]:. n sp =. σ eN2 σ e N 2 − σ a N1. (3.4). 放大器在放大過程中會因為雜訊的產生而劣化輸入信號的信號與雜訊比(signal-to-noise ration, SNR)。一般用雜訊指數來表示信號經過放大器 SNR 被劣化的程度，定義成:. NF =. ( SNR ) in ( SNR ) out. (3.5). (SNR)in :進入放大器前之信號由檢光器 (photodetector) 所量到的 SNR；(SNR)out :經過放大器後之信號由檢光器所量到的 SNR。我們以光學方法來量測雜訊指數。由於 ASE 是摻鉺光纖放大器主要的雜訊，雜訊指數可以表示成[3]:.  P 1  NF ( dB ) = 10 log10  ASE +   hνB0G G . (3.6). PASE 是以頻寬 B0 所量到的 ASE 功率蒲朗克常數 h = 6.626×10-34 J•s ν為光的頻率 (Hz). G 為放大器的增益 (線性單位) B0 為雷射光源頻寬， B0 =. c  ∆λ  Hz λ  λ . 藉由精確的測量信號增益(G)與放大器的雜訊功率(PASE)可以計算得到雜訊指數。在沒有輸入信號時 PASE 可以很容易的用光譜分析儀量到，不過當輸入信號位準提高，ASE 功率會因增益飽和而受到壓抑，此時的 PASE 就難以直接量到，因此採用. Polarization-nulling 技術來量測光纖放大器的雜訊指數[22]。. 14.

(25) 圖 3-1 為量測雜訊指數的裝置圖。由於放大器的輸出信號有固定的極化方向，而 ASE 則是任意極化方向，我們可以藉由調整極化控制器(polarization controller)來改變信號的極化方向，再配合極化分光器(polarization beam splitter)來消除信號成分達到測量 ASE 雜訊位準的目的。通常會加上固定式衰減器以防止過大的輸出光功率傷害到光譜分析儀。將詳細的量測步驟說明如下:. (1).使用光功率計測量輸入功率 Pin。 (2).在未使用 EDFA 時，調整極化控制器使光波只通過極化分光器的其中一路徑，即使信號在其中一路徑有最大的輸出，用光譜分析儀測量此時信號的峰值功率 P1。. (3).加上 EDFA，調整極化控制器使光譜分析儀量測到最大的信號峰值 P2。. (4).調整極化控制器使信號峰值達到最小，只剩下 ASE 位準。如圖 3-2,在信號波長左右約 0.2 nm 間格處量測 ASE 位準 PL、PR。 (5). 將所得之數據代入下列公式，即可計算出信號的 ASE 位準 (PASE)、放大器增益(G)與雜訊指數(NF)。 PR + PL + ( Pin − P1 ) + 3 2 G ( dB ) = P2 ( dB ) − P1 ( dB ) P ASE ( dBm ) =. NF ( dB ) = P ASE ( dBm ) − 30 − G ( dB ) + 10 log. 10.  1   hνB 0.   . (3.7) (3.8) (3.9). 其中式(3.7)中， (Pin－P1)用來校正極化控制器與極化分光器的插入損失，又 ASE 為任意極化狀態，所以只有一半的 ASE 會走極化分光器的其中一條和信號相同的路徑，另一半的 ASE 則從另一條路徑出來，因此必須修正 3 dB 的功率損失。式(3.8)中，我們可以用很小的 OSA 解析頻寬來減少伴隨訊號輸出的 ASE 雜訊，因此直接用式(3.8)來近似式(3.2)。式(3.9)則是由式(3.6)近似得到，即. 15.

(26)  P  P 1 NF = 10 log10  ASE +  ≈ 10 log10  ASE  hνGB0  hνGB0 G .   = 式(3.9) . 其中 PASE 的單位由 dBmW 轉換成 dBW 要作減去 30 dB 之修正。使用這個量測方法所得到的雜訊指數是否準確，決定於極化分光器是否能夠完全分離輸出光的信號成分，所以實驗時需要極化消光比(polarization extinction ratio)相當高的極化分光器。不過由於信號源本身會有光源自發性輻射的成分 (source spontaneous. emission, SSE)，SSE 是任意極化狀態也就無法用極化分光器分離。 3.1.3 多波長系統放大器特性參數的量測方法摻鉺光纖放大器使用在 WDM 系統中，當不同波長的光一起進入放大器中，總放大輸出功率會由這些波長所分享，個別波長的增益與雜訊指數等特性可以用前兩節提到的方法量測，所有波長的特性參數決定使用在 WDM 系統的放大器之性能。不過量測時必須同時使用多個不同波長的信號源，造成許多困難。例如量測摻鉺光纖放大器在 16 或 32 波道的 WDM 系統中之性能，量測的費用及複雜度就很高。在實際的實驗上，常使用另一種近似的量測方法[23]。用一個飽和信號(saturation tone)來取代多波長信號，此飽和信號的功率相等於多波長信號的總功率合，利用摻鉺光纖放大器均勻調寬. (homogeneous broadening)的特性，由飽和信號建立一個與多波長信號相同的增益頻譜；另外使用一個波長可調的雷射當作探測信號(probe signal)，其功率與多波長信號的個別功率相同。如圖 3-3 將飽和信號與探測信號一起輸入摻鉺光纖放大器，藉由調整探測信號的波長，量測在飽和特性下個別波長的增益與雜訊指數。由於這種近似量測法，是建立在摻鉺光纖放大器均勻調寬的現象上，所以飽和與探測信號都必須位於會發生均勻調寬現象之頻譜上。有時候飽和信號太強，所造成的頻譜空洞燃燒現象. (spectral hole-burning)會影響飽和信號附近的頻譜，使得由探測信 16.

(27) 號在飽和信號附近之波長所量到的結果跟實際結果有較大的誤差。. 3.2 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。 17.

(28) [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λsat 為 1587.8 nm，其功率為 -3.5 18.

(29) 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 19.

(30) 長度時，32 個波道有較平坦的增益值，增益平坦度△G = 1.2 dB，相較於模擬所得到的增益平坦度△G = 0.6 dB，有 0.6 dB 的差異。. 3.3.2 模擬與實驗結果之比較針對第一段摻鉺光纖為 10 公尺，第二段摻鉺光纖為 90 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 3-10 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稍微低一點，不過有相同的增益趨勢，模擬的雜訊指數則比實驗結果低了 2 dB 左右，而實驗的雜訊指數皆在 7 dB 以下。實驗部分和模擬數值上的差異，可能的原因為: (1)理論模擬所用的條件較實際狀況理想。例如模擬時沒有考慮信號的光源自發性輻射的成分(SSE)，及實際上元件的插入損失較大，也會造成實驗的增益變小；(2)實驗量測上的誤差。對於多波長系統的放大特性量測，使用飽和及探測信號的近似量測方法，而過強的飽和信號可能會造成誤差。另外量測時存在的操作誤差，也會影響結果。圖 3-11 為放大器對 32 個波道數之增益頻譜，我們輸入-3.5. dBm 的飽和信號及-18.5 dBm 的探測信號來作實驗及模擬，其中實驗的輸出頻譜是由光譜分析儀所紀錄，解析頻寬設為 0.1 nm；而模擬結果的輸出頻譜使用的單位為 dBm/nm，由式(3.3)知. PASE = 2 n sp h ν (G − 1) ∆ ν = 2 n sp h (G − 1)(. c2. λ3. ∆λ ). S ( dB ) − P E ( dB ) = 10 log ( ∆λS ) − 10 log ( ∆λ E ) PASE ASE 10 10  1nm  = 10 log10   = 10  0.1nm . 因此，模擬與量測結果在圖上會有將近 10 dB 的位準差異，由圖上的頻譜趨勢來看，實驗與模擬的結果相當吻合。進一步來討論放大器的功率轉換效益 (Power conversion. efficiency, PCE) 與量子轉換效益 (quantum conversion efficiency, QCE)，兩者的定義分別如下[3]: 20.

(31) PCE =. (Psignal − out − Psignal − in ) Ppump.  λsignal QCE = PCE ×   λ pump .    . (3.10). (3.11). 兩顆 1480 nm 幫激雷射的輸出功率為 125 mW，總幫激功率為. 250 mW；實驗中所組裝 1480 nm 幫激波長 FBIp 架構之長波段摻鉺光纖放大器，對於波長 1585 nm 且功率為 0 dBm 的輸入信號，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，這樣的功率轉換效益算是相當高的[16, 24]，而一般傳統摻鉺光纖放大器的 PCE 則可高達 77.2 %[25]。上一章 1480 nm FBIp 架構模擬得到的 PCE 為 40.8 %，和實驗出來的值相當接近。. 3.4 980 nm 幫激波長 FBIp 架構 3.4.1 特性量測結果將上一節中 1480 nm 的幫激波長改成 980 nm，進行相同的量測。圖 3-12 為 980 nm 幫激波長下使用不同長度的摻鉺光纖所量測之 ASE 頻譜。圖 3-13 為加入飽和信號及探測信號下放大器的輸出頻譜，維持第一段摻鉺光纖長度 5 公尺，改變第二段摻鉺光纖的長度分別為 80、85、90 公尺，可以看出在第二段摻鉺光纖長度為. 85 公尺時，有較平坦的增益頻譜，同樣符合模擬的結果。圖 3-14 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 5 公尺，第二段摻鉺光纖長度為 80 公尺時，在短波長部分有較高的增益，表示摻鉺光纖的長度太短，所量得的增益平坦度△G = 2.05 dB；當第二段摻鉺光纖長度增加至 90 公尺時，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 = 1.3 dB；而第二段摻鉺光纖長度為 85 公尺，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，相較於模擬所 21.

(32) 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 22.

(33) 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。. 23.

(34) 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 24.

(35) 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輸入的訊號放大，然後經過增益平坦濾波器將訊號平坦化後，再由第二級的放大器補償訊號經過濾波器後的損失，並再次放大訊號。增益平坦濾波器的頻譜圖主要是根據摻鉺光纖放大器的增益頻譜(gain spectrum)，在增益頻譜有較高增益的部分，相同波長地方的增益平坦濾波器頻譜會有較高的衰減量；同樣的，在增益頻譜中較低增益部分，增益平坦濾波器的頻譜有較低的衰減量。所以基本上來說，整個增益平坦濾波器的頻譜圖形大約為放大器增益頻譜圖的翻轉圖形，圖 4-2 為增益平坦濾波器頻譜的示意圖，最後達到增益平坦的目的。. 4.1.2 系統架構及參數設定我們選擇第一級摻鉺光纖為前向幫激，幫激波長為 980 nm；第二級摻鉺光纖為後向幫激，幫激波長為 1480 nm 的雙幫激的架構來進行傳統波段摻鉺光纖放大器的模擬，圖 4-1 為模擬的架構圖，中間虛線框部分的光隔離器，分別會討論加入前後對整個系統的影響。在此採用和長波段相同的摻鉺光纖，表 2 為摻鉺光纖的特性參數。32 個輸入信號波長是依 ITU 規範，波道間隔 0.8 nm：. 1535.43 nm 、 1536.22 nm 、 1537.00 nm 、 1537.79 nm 、 1538.58 nm...1558.58 nm、1559.39 nm、1560.20 nm。每個輸入信號的功率為-18.5 dBm。將熔接點及所使用元件的插入損失設定如下：每一個熔接點的損失為 0.1 dB，分波多工器的插入損失為 0.2 dB，光隔離器的插入損失為 0.5 dB，增益平坦濾波器的插入損失為 0.5 dB，和長波段摻鉺光纖放大器有相同的設定。傳統波段摻鉺光纖放大器的參數列於表 8 中。. 4.1.3 模擬流程把模擬分成三個步驟： 25.

(36) (一) 首先要找出最佳的摻鉺光纖長度，以迴圈的方式，先固定幫激功率，依據 ASE 的分佈頻譜圖，找到較理想的單級摻鉺光纖長度，約為 11〜12 米左右。. (二) 再將增益平坦濾波器插入，使摻鉺光纖分成兩段，觀察 ASE 的分佈頻譜圖，找出增益平坦濾波器插入摻鉺光纖中的最佳位子。最後找到第一段摻鉺光纖長度為 4 米，第二段為 7 米時，有較平坦的 ASE 頻譜。. (三) 接下來固定摻鉺光纖長度分別為 4 米、7 米，改變幫激功率，以兩個迴圈的方式，得到第一級摻鉺光纖幫激功率為 260. mW，第二級摻鉺光纖幫激功率為 90 mW 時，32 個信號的平均輸出功率約為 23 dB，並找出最理想的增益頻平坦濾波器頻譜圖。. 4.1.4 模擬結果討論 [A] 加入增益平坦濾波器圖 4-4、4-5 分別是加入增益平坦濾波器後在輸出端所得到 32 個訊號的輸出功率頻譜圖及增益平坦濾波器的頻譜圖。在還沒有加入增益平坦濾波器前，增益平坦度 ∆G = 2.8 dB，如圖 4-3。我們要求在經過增益平坦濾波器後的增益平坦度要小於 0.1 dB。在圖 4-5 中，波長 1535 nm 附近因為有較高的增益，所以增益平坦濾波器的頻譜在波長 1535 nm 附近會有較高的衰減量，約 4 dB；而相對的在波長 1540 nm 附近有較低的增益，所以增益平坦濾波器的頻譜在波長 1540 nm 附近即有較低的衰減量，約 1 dB。將前二章中討論出的長波段摻鉺光纖放大器最佳架構 ( 在. 1480 nm 幫激波長下的 FBIp 架構)所得到的結果和傳統波段摻鉺光纖放大器所得到的結果並列一起，如圖 4-6、4-7。可知在相同增益下(約 23 dB)，傳統波段摻鉺光纖放大器有較小的雜訊指數. (3.7 – 4.4 dB) 。. 26.

(37) [B] 加入光隔離器在摻鉺光纖放大器兩級的架構中，若在兩段摻鉺光纖中加入光隔離器，防止第二段摻鉺光纖放大自發性輻射(ASE)的逆向傳播，不但能夠降低放大器的雜訊指數，亦能有增益平坦的效果. [27]。所以我們在增益平坦濾波器前再加入一光隔離器，再調整 32 個訊號增益使其約為 23 dB(980 nm 幫激功率 110 mW，1480 nm 幫激功率 160 mW)，雜訊指數明顯降低了，值約為 3.6 – 4 dB，可由圖 4-8 得知。圖 4-9 為加入光隔離器後，32 個訊號的輸出功率頻譜圖。圖 4-10 為加入光隔離器前後增益平坦濾波器的頻譜圖，加入隔離器後整個增益平坦濾波器的頻譜圖位準下降，隨著不同波長下降範圍約 0.1 - 0.4 dB，表示加入了光隔離器，不只使雜訊指數降低了，增益也提升了 0.1 – 0.4 dB。. [C] 改變輸入波長因為傳統波段的摻鉺光纖放大器的增益頻譜在波長 1530 nm 附近有一突起，我們將之前 32 個傳統波段訊號的波長取出 3 個移到 1530 nm 附近，維持共有 32 個訊號；而長波段摻鉺光纖放大器的增益頻譜在波長 1570 nm 附近亦有一突起，我們也將前二章中. 32 個長波段訊號波長取出 3 個移至 1570 nm 附近，亦維持 32 個訊號，來觀察輸出訊號的增益頻譜及增益平坦濾波器的頻譜圖。新的 32 個波長的長波段摻鉺光纖放大器依上二章的方法找出最佳的摻鉺光纖長度分別為 35、125 公尺，增益平坦度為 1.1 dB。為了使傳統波段部分的增益和長波段部分的增益相等，我們調整傳統波段部分的幫激功率(980 nm 幫激功率 160 mW，1480 nm 幫激功率 130 mW)，使得最後能有 23 dB 左右的增益。圖 4-11、4-12 是傳統波段加上長波段的輸出功率頻譜、增益、雜訊指數圖，由圖 4-12 可知，傳統波段部分雜訊指數約 3.5 - 3.8 dB，長波段部分雜訊指數約 4.4 – 4.9 dB。圖 4-13 為傳統波段增益平坦濾波器的頻譜圖，在波長 1530 nm 附近有一極大的衰減量約 7.5 dB，正好對應到增益頻譜的突起。 27.

(38) 4.2 寬頻摻鉺光纖放大器在光纖通訊網路中，所面臨的挑戰主要是如何在單根光纖中能夠傳輸最大的容量的資訊。有三種方法可以增加傳輸的資訊， (一)增加單個波道的傳輸速率；(二)減少波道的間隔；(三)增加傳輸頻寬。減少波道間隔，會加重相位串調變 (cross-phase. modulation)和四波混和(four-wave mixing)等非線性效應，對系統性能產生劣化[28, 29]。高密度分波多工系統運用多波長傳輸可以大大的提升在單根光纖中的傳輸容量，也能高速傳輸資訊，隨著. DWDM傳輸系統不斷增加的頻寬需求，寬頻光纖放大器是目前的趨勢。將上二章中所找出的 1480 nm雙幫激長波段摻鉺光纖放大器最佳的架構，和本章所討論兩級的傳統波段摻鉺光纖放大器用兩個1550/1580 nm分波多工器連接成並行的架構，如圖4-14，使得傳統波段的訊號在經過1550/1580 nm分波多工器後由上方的路徑傳輸，長波段的訊號經由下方路徑傳輸，最後再由另一個分波多工器合併兩條路徑的訊號，而達到寬頻放大器的目的。長波段部分的摻鉺光纖放大器主要的考量是要提升功率轉換效率(PCE)，而傳統波段的摻鉺光纖放大器主要是要解決增益頻譜不平坦問題。第三章中所設計組裝的長波段摻鉺光纖放大器的PCE 可達到39.7 %，這樣的轉換效益算是相當高的；而傳統波段摻鉺光纖放大器在4-1節中也經由數值模擬找出最佳的增益平坦濾波器，使其能有平坦的增益頻譜。在過去的文獻中，已有使用傳統波段與長波段的摻鉺光纖放大器並行架構[7]，如圖4-15。採並行架構的寬頻光纖放大器其優點是可以分別找出長波段摻鉺光纖放大器及傳統波段摻鉺光纖放大器的最佳架構，而達到最好的性能。. 28.

(39) 第五章結論本論文研究高轉換效率的長波段摻鉺光纖放大器，先藉由數值模擬在九種架構中找出符合 ∆G＜0.7 dB、NF＜6 dB 條件下，最佳的幫激波長及架構，然後經由實際實驗上的組裝及量測，驗證數值模擬的結果，設計出適合 32 個波道 DWDM 系統使用之長波段放大器。由模擬結果知，在 1480 nm 幫激波長下的 FBIp 架構為最佳的架構。再分別改變幫激波長 960~990 nm 和 1460~1490 nm，發現在多波長系統下並不會對各波道的增益有很大的影響。模擬結果顯示，1480 nm 幫激波長下的 FBIp 架構在 1575 -. 1600 nm 之間，每一波道之光輸入功率為-18.5 dBm 時，信號的增益大於 23 dB，增益平坦度△G ＝0.6 dB，雜訊指數低於 4.5 dB，功率轉換效率為 40.8 %。我們組裝和模擬相同的架構來進行實驗，由量測數據顯示，在 1575 - 1600 nm 之間的信號的增益大於. 22 dB，增益平坦度△G ＝1.2 dB，雜訊指數低於 7 dB，而放大器的功率轉換效益能達到 39.7 %，與模擬的值相當符合。如果選擇插入損失較小的元件並減少元件間的熔接損失，相信就能夠再提高增益並雜訊降低指數。在論文最後也對傳統波段摻鉺光纖放大器進行模擬，找出最佳的增益平坦濾波器頻譜，使得傳統波段 32 個波道增益平坦。將長波段與傳統波段的摻鉺光纖放大器並行使用，可達到寬頻放大器的目標。. 29.

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