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行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製與應用 子計劃四：高速寬
頻高密度分波多工系統模組之量測模擬及應用(1/3)
計劃編號 : NSC
執行期限 :90 年 08 月 01 日至 91 年 7 月 31 日
主持人 : 陳茂雄 中山大學電機工程研究所
一、中文摘要 高速寬頻模組及系統之最佳化設 計模擬及應用，第一年計劃，完成摻 鉺光纖放大器之最佳摻鉺光纖之長度 調整之模擬及特性參數標準之計算， 加速完成多波道數之增益平坦化光纖 放大器之研製。 關鍵字:光纖放大器、摻鉺光纖 Abstr actThis sub-project has achieved optimal design of L-band fiber optics amplifiers for DWDM communication systems by using program simulation. The calculations of characteristic parameters for optimal design have been done for real applications. The simulation results are able to accelerate the development and lower the research fees.
Keywor ds: Optical fiber amplifier、
Erbium doped fiber
一、緣由與目的 面對電信自由化後的激烈競爭， 通信容量之大幅需求，世界各國努力 進行新建各種通信系統以期改善通信 服務品質。並企圖降低建設及營運成 本，因此在骨幹網路方面紛紛採取高 密度分波多工技術（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM），傳送 更多的光信號波道，以大幅度提升通 信容量，並降低傳送網路之通信單位 成 本 ，增 進 系統 建 設 之 即 時 性 與 彈 性。寬波帶光纖放大器在通信系統之 應用，可有效提高系統資料傳輸量及 距離，因此世界各國近年來，無不積 極 研 發 。 本 計 畫 將 先 進 行 長 波 帶 L-Band ， 摻 鉺 光 纖 放 大 器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 在 DWDM 通信系統使用之增益平坦化及 動態控制之設計與性能模擬，以供其 他子計劃在寬波帶光纖放大器開發工 作之參考。
二、研究內容 如圖(1)所示之COSP設計架構，為 本實驗室所設計之DWDM通訊系統用 之長波段L-Band EDFA雙向1480 nm Pumping架構。本報告完成了最佳摻鉺 光纖長度之模擬分析及計算，以選擇
2 出1570 ~ 1600 nm波帶，16及32波道， 每波道功率-15 dBm之小訊號同時輸 入，其增益平坦化之最佳設計。每一 波道光雜訊指數(Noise figure)需小於 5.5 dB 及∆P（= PMax - PMin）小於0.7 dB之增益平坦設計標準。 首 先 以 Highwave-742 摻 鉺 光 纖 [1] ， 所 設 計 之 各 種 雙 幫 激 架 構 之 L-Band EDFA，來做性能數值之模擬分 析。[2]調整摻鉺光纖之長度，來達成 16波道數之L-Band增益平坦化EDFA 研製的最佳選擇。模擬結果如圖(2)， 以輸出之光總功率最大時，所需之摻 鉺光纖長度，為最佳長度選擇。COSP 之架構如圖(1)所示，其最佳摻鉺光纖 總長度為270m。所得到的輸出功率最 大，且其各頻道之雜訊指數也相當平 坦，在4.25 ~ 4.65 dB之間。圖(3)為 COSP架構其摻鉺光纖在最佳總長度 工 作 時 ， 其 光 增 益及 雜 訊 指 數 之 情 形。在摻鉺光纖最佳總長度時之COSP 架構，任一長度位置之前向與後向放 大 自 發 輻 射 （Amplified Spontaneous Emission, ASE） 之前向輻射功率隨著 摻 鉺 光纖 之 增長 ， 有 漸 漸 增 大 的 趨 勢，在第一段與第二段交接處，因為 加入中間光隔離器，故ASE功率突然劇 降3.4 dB (- 36.5 db ~- 39.9 dB) ；而 ASE之後向輻射功率隨著摻鉺光纖之 增長，則遞減，在第一段與第二段交 接處，因為加入中間光隔離器（隔離 度50 dB）之故，第一段ASE後向輻射 1480/1550 WDM EDF1 Isolator EDF2 Isolator Input Output 1480nm Pump Laser 1480nm Pump Laser 圖(1). L-Band EDFA 雙向 pumping 架構
1480/1550 WDM 1480/1550 WDM 1480/1550 WDM 1575157815811584158715901593159615991602 -5 0 5 10 15 20 25 30 Noise Figure Gain Gai n (d B ) Wavelength (nm) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Nois e Fi g u re ( dB ) 圖(3). 32 個波道數之增益及雜訊指數 與波長之相關圖 CC S C C COS B COSP CO OC S OCS OOS OO 0 40 80 120 160 200 240 280 EDF 1 L en g th ( m )
Dual-Pumped EDFA with different structures 0 40 80 120 160 200 240 280 T ot al E DF L en gt h (m ) EDF total length EDF1 length 圖(2). 各種 L-Band EDFA 架構增益平坦化 （Gmax≥ 20 dB，NFmax≤ 5.5 dB，∆G ≤ 0.7 dB） 所需之摻鉺光纖長度
3 功率為-75 dBm，第二段ASE後向輻射 功率為-23 dBm，即插入損失達52 dB。 當調整 16 波道的各種光功率輸 入，進行 EDFA 輸出增益特性模擬， 改變各頻道輸入功率之結果，在最佳 摻鉺光纖長度下，僅各頻道之輸入功 率在 -15 dBm 時，才能保持∆G （= 0.67 dB）≤ 0.7 dB，而在各頻道之輸入 功率為 –14 dBm 時，∆G = 0.8 dB。另 外，各頻道之其他輸入功率皆使 ∆G 大 於 1dB。而在 各頻道 之輸入 功率 為 –18 dBm（∆G = 2.8 dB）與 -12 dBm （∆G = 2.3 dB）之範圍時，∆G ≤ 3 dB。 對於 COSP 架構而言，隔離度大 於 17 dB 以後，增益及雜訊指數幾乎 成定值。因此只要隔離度≥ 17 dB 之光 隔離器就能符合 COSP 結構設計的需 求。 三、結果及討論 當每一 波道之光輸 入功率為-15 dBm時，在1570 ~ 1600 nm的增益頻譜 平坦度達≤ 0.7 dB，最大光雜訊指數≤ 5.5 dB的條件下，不論是16頻道或32頻 道輸入，以輸出之光總功率為標準， COSP之架構為最佳的選擇。若輸入為 16 波 道 數 ， 其 最 佳 摻 鉺 光 纖 （Highwave-742）總長度為270 m，每 個波道Pin = - 15 dBm/λ之小信號，其 增益均大於26 dB，當輸入為32波道數 時，最佳摻鉺光纖總長度237 m，每個 波道之小信號增益大於22.2 dB。但若 光輸入之功率改變時，最佳摻鉺光纖長 度應會稍為變動，精確長度須再進一步 做數值模擬。 至於光隔離器之隔離度大小，只要 隔離度≥ 18 dB，對於光輸出功率之增 益、增益差（與輸出功率差相同）及雜 訊指數幾乎保持定值。 四、總結 本報告已完成本實驗室所設計之 DWDM 通訊系統用之長波段 L-Band EDFA 雙向 1480 nm Pumping 架構之性 能模擬分析、比較，及最佳摻鉺光纖 長 度 之模 擬 分析 及 計 算 ， 以 選 擇 出 1570 ~ 1600 nm L-band 波帶，每波道 功率-15 dBm 之小訊號，以 16 及 32 波 道同時輸入 DWDM 通訊系統，其增 益平坦化之最佳設計。 以 Highwave-742 摻鉺光纖為模擬 實例，增益頻譜平坦度達≤ 0.7 dB，最 大光雜訊指數≤ 5.5 dB 的條件下，16 波 道 數 最 佳 摻 鉺 光 纖 總 長 度 為 270 m，32 波道數時，最佳摻鉺光纖總長 度 237 m。每個波道之小信號增益均可 大於 22 dB 以上。
本報告之模擬架構及經驗，將可提 供本整合型計劃之其他子計劃，在寬 波帶光纖放大器之開發工作上，縮短 研發時程，及有效改善光纖放大器之 各項光學特性參數。在研究過程中， 學生對光學模擬軟體之學習，可培養 工 業 界光 電 工程 師 之 模 擬 、 實 驗 能 力，加速研發時程。 參考文獻
[1].Data sheets of Highwave Optical Technologies, France, 1999.
[2].H. Ono et al., ”1.58 µm band Er3+ doped fiber amplifier pump in the 0.98 and 1.48 µm bands,”Electron. Lett., vol.
