新穎光信號處理元件與模組及其在光通信中之應用---子計畫五:先進型線性/非線性光纖光柵及鎖模光纖雷射之設計、製作與應用(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫五：先進型線性

非線性光纖光柵及鎖模光纖雷射之

設計、製作與應用(1/3)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2215-E-009-061- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學光電工程學系(所) 計畫主持人： 賴杰 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 7 月 5 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

新穎光信號處理元件與模組及其在光通信中之應用

子計畫：先進型線性／非線性光纖光柵及鎖模光纖雷射之設

計、製作與應用(1/3)

Design, fabrication, and application of advanced linear/nonlinear

fiber gratings and modelocked fiber lasers (1/3)

計畫編號：93-2215-E-009-061-

執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

主持人：賴暎杰教授 交通大學 光電工程系（所）

一、中文摘要 近年來光纖科技的進步已經在許多研 究領域造成很大的衝擊﹐幾個最重要的光 纖相關技術包括光纖光柵技術、光纖雷射 技術、及特殊光纖製作技術（包括光晶體 光纖）等都已經有很好的發展。我們過去 幾年在光纖光柵技術與鎖模摻鉺光纖雷射 技術上已經建立很好的研究基礎﹐在本計 畫中我們將立基於這基礎上來進一步研發 更先進之線性／非線性光纖光柵及鎖模光 纖雷射的設計、製作與應用技術。更具體 言之﹐我們將（１）開發利用側面繞射干 涉法來發展具更精確定位的逐段式光纖光 柵曝製技術﹐並針對特殊光通訊等應用來 設計及製作特別的光纖光柵元件；（２） 研製 10GHz 及更高脈衝重複率之穩定飛秒 級鎖模摻鉺光纖雷射﹐利用非同步調變等 新型方法使光纖雷射可直接輸出高重複率 飛秒級脈衝﹐毋需腔外脈衝壓縮﹐並將此 種雷射實際用於光通訊等應用；（３）利 用（１）中建立之逐段式光纖光柵曝製技 術配合 electric poling 側磨光纖來研製 二次非線性光纖光柵元件﹐並利用此技術 來發展在全光通訊與量子光通訊上之應 用；（４）模擬及設計三次非線性光晶體 光纖光柵元件﹐探討在此種三次非線性光 纖光柵中之布拉格光固子（Bragg grating soliton）等非線性光學現象﹐以及這些效 應在全光通訊與量子光通訊上之可能應 用。我們希望透過未來三年之計畫執行﹐ 可以讓我們繼續在這些光纖科技研究領域 上進行前瞻性的學術研究與技術開發。 關鍵詞：光纖雷射、光纖光柵 Abstract

In recent years the advance of fiber related technologies has produced significant impacts in many research area. Some of these important fiber related technologies include the fiber grating technology, fiber laser technology, and special fiber technology (including photonic crystal fibers). In the past few years we have established excellent research infrastructure in the research area of fiber gratings and modelocked Er-fiber lasers. Based on these achievements, in the proposed project we plan to develop the design, fabrication, and application techniques of more advanced linear/nonlinear fiber gratings and modelocked fiber lasers for the applications of optical communication and others. To be more specific, we will (1) develop the side-diffraction-interference position monitoring technique for further improving our sequential-writing fiber grating exposure system and begin to design and fabricate special fiber grating devices for special fiber communication and photonic signal processing applications; (2) develop 10 GHz or higher repetition rate stable modelocked fiber lasers that can output femtosecond pulses directly from the laser without the requirement of external pulse compression, and apply the developed lasers to the applications of optical communication;

(3) develop the second order nonlinear fiber grating devices based on the electric-poled side-polished fibers and the fiber grating exposure technique, and utilize these devices in the applications of all-optic communication and quantum-optic communication; (4) model and design third order nonlinear photonic crystal fiber grating devices, investigate the nonlinear optical effects (i.e., Bragg soliton effects) in these devices, and develop their possible applications in all-optic communication and quantum-optic communication. Through the execution of this proposed three-year project, we hope that we can continue to perform more advanced academic research and development on fiber related technologies and continue to make more academic and technological contributions.

Keywords: Fiber laser, Fiber grating 二、緣由與目的 我們過去幾年在光纖光學相關學術研 究與技術研發上已經建立很好的基礎﹐特 別是在光纖光柵技術與鎖模摻鉺光纖雷射 技術等方面。在本計畫中我們將立基於這 基礎上來進一步研發更先進之光纖光學相 關技術﹐包括線性及非線性光纖光柵的模 擬、設計、製作、與應用﹐以及研製 10GHz 及更高脈衝重複率之飛秒級鎖模摻鉺光纖 雷射並發展其應用等。我們希望透過未來 三年之計畫執行﹐可以讓我們繼續在這些 光纖科技研究領域上進行前瞻性的學術研 究與技術開發﹐並持續在這些研究領域有 所貢獻。 三、研究成果 在這第一年裏我們的研究成果主要是 在以下這幾方面： １、開發利用側面繞射干涉法來發展具更 精確定位的逐段式光纖光柵曝製技 術。 ２、研製 10GHz 脈衝重複率之穩定飛秒級 鎖模摻鉺光纖雷射。 ３、模擬設計新型的 holy fiber 結構。 以下即針對這幾點來進行說明： １、開發利用側面繞射干涉法來發展具更 精確定位的逐段式光纖光柵曝製技術 （發表文獻[1]) 我們發展出如下圖的側面繞射干涉法及信 號處理方式來精確定位逐段式光纖光柵曝 製系統，並以之製作出 3-dB bandwidth 只 有 0.07 nm 的光纖光柵。

Fig. 1. (a) Real-time side-diffraction position monitoring setup by probing the reference grating. (b) Flow chart of the algorithm..

Fig. 2. Reflection and transmission spectra of a 0.07-nm Gaussian apodized 70-mm long FBG. ２、研製 10GHz 脈衝重複率之穩定飛秒級 鎖模摻鉺光纖雷射（發表文獻[２]) 我們發展出如下圖的非同步鎖模光纖雷射 系統，達到 10GHz 脈衝重複率，輸出脈寬 僅 816fs，超模抑制比超過 70dB。

Fig.3 Modelocked Er-fiber laser by asynchronous modulation 1540 1545 1550 1555 1560 -80 -60 -40 -20 0 Po w e r [ d B m ] Wavelength [nm] 1544 1552 1560 0 5 In te n s it y [ a .u .] Wavelength [nm]

Fig.4 Output optical spectrum

-10 -5 0 5 10 0 1 2 3 4 5 6 In te n s it y [ a .u .] Time Delay [ps]

Fig.5 Autocorrelation of the output pulses

9.990 9.995 10.000 10.005 -80 -60 -40 -20 0 Po wer [ d B m ] Frequency [GHz] SMSR>70dB

Fig.6 RF spectrum of the output pulses

３、模擬設計新型的 holy fiber 結構（發表 文獻[３])

我 們 探 討 了 如 下 圖 的 Square- and

rectangular-Lattice Holey Fibers with Elliptical Air Holes，以有限元素法計算了其 birefrigence及 loss。

Fig. 7. The structure of the square- and rectangular- lattice HF with elliptical air holes

Fig. 8. Illustration of the structure parameters

Fig. 9. The birefringence for Λ 1 µm= , a=0.6.

Fig.10. The leakage loss for the cases with Λ=2.32 µm,

a=0.6 .

Λ

x d y d d Λ

四、結論 本計畫於今年度已完成利用側面繞射 干涉法來發展具更精確定位的逐段式光纖 光柵曝製技術、研製 10GHz 脈衝重複率之 穩定飛秒級鎖模摻鉺光纖雷射、以及模擬 設計新型的 holy fiber 結構，都有很不錯的 結果，也已經有國際論文的發表。這些成 果將可作為我們第二年研究的基礎。 五、發表文獻

[1] K.-C. Hsu, L.-G. Sheu, K.-P. Chuang, S.-H. Chang and Y. Lai, “Fiber Bragg grating sequential UV-writing method with real-time interferometric side-diffraction position monitoring,” Optics Express vol.13, No.10, p.3795 (2005).

[2] C.-Y. Lin, W.-W. Hsiang, M.-F. Tien and Y. Lai, “Direct generation of 10GHz 816fs pulse train from an asynchronous modelocked Er-fiber laser”, paper CTuCC5, CLEO 2005. (to be published on Optics Letters)

[3] Y. C. Liu and Y. Lai, “Optical birefringence and polarization dependent loss of square- and rectangular-lattice holey fibers with elliptical air holes: numerical analysis”, Optics Express, Vol.13, No.1, 225-235 (2005).