長波段放大自發性輻射光纖光源之研究

全文

(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. 長波段放大自發性輻射光纖光源之研究 Study of L-Band Amplified Spontaneous Emission Fiber Source. 研究生 : 李建木撰. 中華民國九十年六月.

(2)

(3)

(4) 誌. 謝. 本論文得以順利完成，首先要感謝指導教授陳永光博士的悉心指導，引領我進入光纖通信的領域，學習系統化解決問題的方法。兩年期間，在教授的循循教誨和提供豐富的研究資源，才使得實驗與論文得以順利完成，僅此向吾師致上最高的敬意與謝意。實驗研究方面，感謝中華電信研究所廖枝旺博士和曾松齡博士提供實驗儀器設備及許多寶貴的知識。另外要感謝中華電信研究所裡曾提供協助的同仁，特別要感謝盧明寬先生的熱心幫助。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，感謝梁財春博士、許仕老師和蔡賜琦老師對論文研究的指導與修正；感謝張嘉雄、蘇景弘與郭萓侑學長在實驗技巧和知識的指導；感謝實驗室的同窗好友，莊閔旭、黃名宏、蔡昕澤和蘇鈴惠所給予我的鼓勵與扶持，也感謝學弟妹提供的協助，在此對實驗室的全體成員獻上真摯的謝意。最後謹將本論文獻給我最親愛的父母親和家人！由於您們的關懷與支持，使我順利完成碩士學位，特以本文表達由衷的感恩之情。. 李建木謹誌于光通信實驗室國立中山大學, 西子灣, 高雄 Jun. 5, 2001. I.

(5) 中文摘要本論文針對長波段放大自發性輻射光纖光源進行研究，探討以 1480 nm 幫激雷射的單幫激組態之放大自發性輻射光纖光源的特性。我們用 1480 nm 的幫激雷射幫激摻鉺光纖，選擇適當的光纖長度，藉由調整幫激光源功率，分析光纖輻射的 ASE 特性。我們討論的架構有前向單行 (SPF)、後向單行(SPB)、前向復行(DPF)和後向復行(DPB)四種光源，比較光源的輸出功率、平均波長、光源線寬和幫激效益。實驗結果顯示 DPF 架構在低反射量 8%時，摻鉺光纖輻射的 ASE 具有 13.8 mW 的輸出功率，平均波長為 1585.7 nm，光源線寬為 40.9 nm，幫激效益為 13.8%，此為四種架構中較佳的光源特性。. II.

(6) Abstract In this thesis, we investigate the single-pumped L-band (1570-1610 nm) amplified spontaneous emission fiber source by employing 1480 nm single pumping configuration. Using the 1480 nm-pumped laser, we chose the adequate fiber length and adjusted the pump power to optimize the characteristics of the ASE source. The characteristics are experimentally examined and compared in terms of the output power, mean wavelength, spectral linewidth, and pumping conversion efficiency in four configurations with single-pass forward (SPF), single-pass backward (SPB), double-pass forward (DPF), and double-pass backward (DPB) structures. Among them, the DPF configuration with low mirror reflectance of 8% is the better one to be an L-band ASE fiber source with output power of 13.8 mW, mean wavelength of 1585.7 nm, spectral linewidth of 40.9 nm and pumping efficiency of 13.8%.. III.

(7) 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、序論 .......................................................................................1 1.1 研究背景...................................................................................1 1.2 研究動機...................................................................................7 1.3 論文結構...................................................................................7. 第二章、放大自發性輻射光纖光源之原理與特性 .......................8 2.1 摻鉺光纖放大器的基本原理.....................................................8 2.2 基本架構................................................................................. 10 2.3 光源的特性參數定義.............................................................. 11 2.4 光源的平均波長穩定性 .......................................................... 12 2.5 光源的雜訊............................................................................. 13. 第三章、長波段 ASE 光纖光源的架構與實驗............................ 16 3.1 實驗裝置................................................................................. 16 3.2 實驗量測結果 ......................................................................... 17 3.3 討論 ........................................................................................ 22. 第四章、結論..................................................................................... 24 參考文獻.............................................................................................. 25 附表 ...................................................................................................... 30 附圖 ...................................................................................................... 34. IV.

(8) 表目錄頁次表 1.1 ASE 光纖光源特性對其應用系統所產生的影響 … … . . . … … … ..30 表 3.1 ER741 摻鉺光纖的特性規格 … … .. … … … … … … … … … … … ..31 表 3.2 ASE 光纖光源各架構在最佳條件下的光源特性 … … … … … … 3 2 表 3.3 C-band 和 L-band 的 ASE 光纖光源的特性比較 ….. … … … … … . 3 3. V.

(9) 圖目錄圖 1.1. 頁次轉動的圓形環狀干涉儀 … … … … … … … … … … … … … … ... 34. 圖 1.2. 低同調光反射測量儀的基本架構 … … … … … … … … … … ... 34. 圖 1.3. 頻譜分割光源的基本架構 … … ... … … … … … … … … … … … 35. 圖 2.1. 典型的摻鉺光纖放大器之架構圖 … … … . … .. … … … … … … 36. 圖 2.2. Er3+離子的部分能階圖 … … … … … … … … … … … … … … … 36. 圖 2.3. 1.58-µm 波段之放大原理說明 …. … … … … … … . … … … … . . 37. 圖 2.4. ASE 光纖光源的基本架構 … … … … … … … … … … . … … … . . 38. 圖 2.5. 在光源頻譜上，功率密度變化量∆P 的定義.. … … … … … … 39. 圖 3.1. ASE 光纖光源的實驗架構... … … … … … … … . … .. … … … … . 40. 圖 3.2. 幫激雷射的頻譜 … … … … … … … … … … … … … . … … … … . . 41. 圖 3.3. 1480/1580 nm 波長選擇耦合器的插入損失頻譜 … … … . . … 41. 圖 3.4. 光隔離器的插入損失頻譜 … … … … … … … … … . … … … … . . 42. 圖 3.5. 光纖反射鏡的插入損失頻譜 … … … … … … … … . … … … … . . 42. 圖 3.6. 光源輸出功率對光纖長度的關係 … … … … … . … … … … … . . 43. 圖 3.7. 光源線寬對光纖長度的關係 … … … … … . … … ... … … … . … .. 43. 圖 3.8. 光源平均波長對光纖長度的關係 … … … … … … … . … … . . … 44. 圖 3.9. ASE 光源輸出功率對幫激功率的關係 … … … … … … … … ... 44. 圖 3.10 後向幫激架構 ASE 光源在 100 mW 幫激功率時的光源輸出頻譜 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 45 圖 3.11 前向幫激架構 ASE 光源的輸出頻譜 … … … … … … . … … . … 45 圖 3.12 SPB 架構 ASE 光源在各種幫激功率的頻譜 … … … … … . … 46 圖 3.13 ASE 光源平均波長對幫激功率的關係 … … … … … … … ....... 46 圖 3.14 ASE 光源線寬對幫激功率的關係 … … … … … … . … … … … . . 47. VI.

(10) 頁次圖 3.15 SPF 架構 ASE 光源在各種幫激功率的頻譜 ….. … … . . … … .. 47 圖 3.16 DPF 架構反射量 4%時，ASE 譜… … … … … … … … … … … … … 圖 3.17 DPF 架構反射量 80%時，ASE 譜… … … … … … … … … … … … … 圖 3.18 DPF 架構反射量 8%時，ASE 譜… … … … … … … … … … … … …. VII. 光源在各種幫激功率的頻 … … … … … … ... … … … … . 48 光源在各種幫激功率的頻 … … … … … … … … … … … 48 光源在各種幫激功率的頻 … … … … … … … … … … … 49.

(11) 第一章. 序論. 1.1 研究背景摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)的發展已超過 10 年，從早期的研究，到現在已到達實用階段。摻鉺光纖(EDF) 具有高增益的特性，適合做為放大器的增益介質，而放大器產生的放大自發性輻射(amplified spontaneous emission, ASE)，具有高功率和寬的頻譜線寬(linewidth)，可以作為光通信系統和感測系統的光源 [1]，我們稱此光源為放大自發性輻射光纖光源。光源的波長視光纖的摻雜而定，常見的摻雜元素是釹(neodymium)和鉺(erbium) [2, 3]。以摻釹光纖為增益介質的光源，其光源波長約在 1.06 nm 左右，使用波長 800 nm 波段的幫激光源 [4]。傳統波段(C-band, 1530-1560 nm)和長波段(L-band, 1570-1610 nm)的 ASE 光源，使用的光纖為摻鉺光纖，幫激光源有波長 980 nm 和 1480 nm 兩種 [5, 6]。在光系統中常使用的寬頻光源有超光二極體(superluminescent diode, SLD)、發光二極體(light-emitting diode, LED)和 ASE 光纖光源。ASE 光纖光源有較優的溫度穩定性，在某些應用上會取代 SLD 和 LED，特別是在感測系統。ASE 光纖光源的寬頻特性，使其具有低同調性(coherence)，此特性讓 ASE 光纖光源適於量測系統的應用，如光纖陀螺儀(fiber-optic gyroscope)和低同調光反射測量儀 (optical low coherence reflectometry)等 [7, 8]。ASE 光纖光源的另一個應用是作為頻譜分割 WDM 系統的光源。欲瞭解 ASE 光源，則需瞭解光源特性在其應用系統中的影響，下面分別介紹 ASE 光纖光源在光纖陀螺儀、低同調光反射測量儀和頻譜分割 WDM 系統的應用。表 1.1 列出 ASE 光源特性對光源應用系統的影響，從這幾個應用的介紹，我們可以對光源特性有進一步的認識。. 1.

(12) (1)光纖陀螺儀在 1913 年，桑亞克(Sagnac)首先證實可以光系統測量旋轉量 (rotation) [9]。在一個轉動的系統中，利用光路中兩個反向傳輸的光波，在環狀干涉儀(ring interferometer)產生相位差，以此計算出此系統的旋動量。以真空中半徑為 R 的圓形光路徑為例，如圖 1.1，在干涉儀靜止時，光從 Pi 處進入，兩個反向傳輸的光波以光速 c 繞行光路，經過時間τ=2πR/c 後，兩光波以同相位(in phase)回到 Pi 點。當干涉儀以旋轉率Ω轉動時，在慣性空間的靜止觀察者可發現 Pi 點在時間τ後，移動了角度Ωτ。因此，兩個反向傳輸的光波，在經過時間τ後，抵達 Pi 點的時間差為 [10]. (2π ∆τ =. + Ωτ )R (2π − Ωτ )R 4πR 2 Ω − = c c c. (1.1). 若光波的頻率為ω，則其相對應的相位差為 4πR 2ω ∆φ = ω∆τ = Ω c2. (1.2). 上式可以擴展到任意封閉路徑的光路，利用純量內積 A•Ω得 ∆φ =. 4ω A•Ω c2. (1.3). 當干涉儀不是在真空中，而是折射率 n 的介質時，上面的結果並不會改變。因此在 1976 年，Vali 和 Shorthill 首先在桑亞克干涉系統中使用光纖 [11]，因為單模光纖(SMF)的低功率損耗，用光纖做的干涉儀可以使用更多的光纖匝數，增加相位差，以提高系統的靈敏度，這樣的系統可以量得低於地球自轉率三階的旋轉量。為了方便，我們將相位差表示為. 2.

(13) ∆φ =. 2πLD Ω λm c. (1.4). 其中 L 是光纖的總長度，D 是光纖環繞的直徑，λm 是入射光的平均波長(mean wavelength)。光纖陀螺儀系統產生的桑亞克相位差正比於旋轉量，其比率因子(scale factor)為. 2πLD 。比率因子的穩定度 λm c. 決定光纖陀螺儀的準確度，而影響比率因子穩定度的，則是入射光源的平均波長。提高光源平均波長的穩定度，則陀螺儀的精確度亦相對地提高。常使用的光纖陀螺儀光源有，發光二極體，超光二極體和放大自發輻射光源。導航級光纖陀螺儀精確性較高，其光源的溫度穩定需在 1 ppm 的要求之內，發光二極體和超發光二極體的溫度穩定性較差，約為 400 ppm/℃，欲滿足導航級陀螺儀光源的穩定性，其溫度變化需控制在 0.0025 ℃之內，這是很難達到的，故 LED 和 SLD 只適合中低精確度的陀螺儀應用。由於光纖的溫度變化很容易控制在 0.1 ℃以內，放大自發性輻射光源的溫度係數只要低於 10 ppm/ ℃，就可達到 1 ppm 的波長穩定度，因此適合於高精確度的導航級光纖陀螺儀 [12, 13]。除了波長穩定性的優點外，放大自發輻射光源具有寬的頻譜線寬和高輸出功率，這兩個特性使它更適於光纖陀螺儀光源的使用。寬頻光源的同調性低，它可以降低光纖陀螺儀產生的同調誤差，如雷利後散射(Rayleigh backscatter) [14]和柯耳效應(Kerr effect) [15]，亦可提高系統的信號雜訊比(signal-to-noise ratio, SNR) [16-18]。放大自發輻射光源的增益介質是光纖，所以它發出來的光很容易被耦合進光路，比起 LED 和 SLD，此光源的耦合效率極佳。以上的優點使得放大自發輻射光纖光源，成為較適當的光纖陀螺儀光源。 3.

(14) (2)低同調光反射測量儀(OLCR) 低同調光反射測量儀的研究已超過 10 年 [19]。它可以用來偵測和定位光路中的不連續點，也可以測量平面波導(planer waveguide) 或光元件的特性，如功率損耗分佈、衰減量和隔離度等。低同調光反射測量儀具有高的空間解析度，其基本架構如圖 1.2，邁克森干涉儀的一端接待測元件，另一端為參考端，接反射鏡。移動反射鏡，使得待測端的雷利後散射光和參考端的反射光，在光檢測器上形成干涉。反射鏡的位移量可對應出待測端的空間位置。光源的同調性越低，則反射儀的空間解析度越高。在檢測器上量得的信號強度為 [19]. (. ). Pd = Po K (1 − K ) 1 + A2 R + 2 A R γ 12 (τ ) cos(ωτ ). (1.5). 其中 Po 是進入耦合器的光功率，K 是耦合器的耦光比，R 是在待測物在測量點的反射率，A 是待測物的功率損耗，τ是邁克森干涉儀兩臂間的傳輸時間差，ω是光源的平均頻率，γ12 是光的干涉程度。上式的末項是干涉信號，它使接收器的功率發生振盪，其振幅與待測物反射率的開根號成正比。當干涉儀兩臂間的光程時間差超過干涉時間，γ12 (τ)降為 0。所以，只有在干涉儀兩臂的光程時間差，在干涉時間之內，才能形成干涉。光反射儀的解析度，是由反射信號的半功率頻寬(FWHM)決定，可近似為 ∆x =. υ 2∆ν. 其中υ為光的群速度，∆ν為光源的頻譜線寬。適當的光源頻譜線寬， 4.

(15) 可以調整不同的空間解析度。低同調光反射測量儀的動態範圍(dynamic range)約在 30-110 dB 之間，空間解析度在 20-60 µm，靈敏度在 150-160 dBm。使用寬頻的光源可以得到高的空間解析度，但若光源頻譜在高功率位準至低功率位準的衰減率太低，則會使光反射測量儀在強反射處出現盲區 (dead zone)，盲區範圍可高達 10 mm [20]。適當的光源和接收端設計，可以有效地消除光源強度雜訊(intensity noise)，及降低反設分佈圖的鋸齒現象 [21-23]。而高功率光源的使用，則可以提高反射測量儀的動態範圍 [8]。目前使用反射測量儀測量光纖光柵的折射率，可精準至 10-6 [24]。在 DFB 雷射的量測，則可以從反射分佈圖得到雷射的耦合係數 k 和吸收係數α [25]。低同調光反射測量儀的光源有 LED、SLD 和 ASE 光源等。具有寬的頻譜線寬和高輸出功率，為此光源所必備的特性。寬的頻譜線寬使光源具有較低的同調性，空間解析度因而提高。高輸出功率則能提昇反射測量儀的動態範圍。ASE 光源同時具有以上的兩個特性，故適合作為低同調光反射測量儀的光源。 (3)頻譜分割 WDM 系統為了提高光通信系統的傳輸容量，分波多工(WDM)系統是目前極受矚目的技術。實現 WDM 系統，必需使用多波長的光源模組，若用 DFB 雷射，則會增加系統的成本和複雜度。所以有人提出，以寬頻光源和頻譜分割技術，來產生多波長的光源。頻譜分割光源技術因為只需要一個光源，在發展 WDM 系統技術時，將是一種吸引人的多波長光源技術。頻譜分割光源的架構如圖 1.3，它利用分波多工器的濾波特性，將寬頻的光源，濾成許多波道(channel) 。各波道的頻寬(channel 5.

(16) bandwidth)和波道間距(channel spacing)，由分波多工器的元件特性決定。為了得到更高的系統傳輸容量，我們希望有更窄的波道頻寬和波道間距，如此可以從光源中，濾出更多的波道。但是太窄的波道頻寬，使得每個波道的功率變小，而劣化系統的訊號雜訊比。而太窄的波道間距，則容易增加波道串音(crosstalk)，系統性能亦被劣化。在傳輸容量與波道頻寬和波道間距間，需取得平衡點。一個維持傳輸容量與系統性能的作法，是假設波道間距至少是波道頻寬的 3 倍，則可以避免波道間串音的問題 [26]。用來當做頻譜分割系統的光源，有 LED、SLD 和 ASE 光源等。早期使用的光源是 LED，它被切割成 4 個波道，每個波道以 2 Mb/s 的傳輸速率，可以傳送 2.2 公里 [27]。LED 因為輸出功率很小，只適合使用在區域網路上，目前可以切割成 8 個波道，以 50 Mb/s 的速率傳輸 16 公里而無誤碼(error bit)發生 [28]。SLD 輸出功率較 LED 高，可傳送更遠的距離，若切割成 3 個波道，以 140 Mb/s 速率，可傳輸至 110 公里 [29]。ASE 光源是另一種常用來當作頻譜分割系統的光源，以 ASE 光源的系統，其性能從 1993 年的每波道速率 1.7 Gb/s [26]，到 1995 年提昇至速率為 2.5 Gb/s，在 DSF 中傳輸距離可到 200 公里 [30]。在 1999 年，用 ASE 光源切割成 4 個波道，在 DSF 中以 2.5 Gb/s 速率傳輸，距離超過 240 公里 [31]。另外在 PON 系統的應用，有人提出以 ASE 光源切割成 15 個下傳波道，其傳輸速率為 500 Mb/s，上傳波道傳輸速率為 155 Mb/s，使用 1.5 nm 的 LED 為上傳光源 [32]。頻譜分割光源的特性，主要有二點，第一是夠寬的頻譜線寬，以切割出更多的波道，提高系統的傳輸容量。再者是夠高的輸出功率，才能使切割出來的波道有足夠的功率，維持高的訊號雜訊比值。而頻譜的平坦度，影響各波道的功率位準，也限制了頻譜的可切割區域。 6.

(17) 1.2 研究動機為了提高光通信系統容量，除了改善 DWDM 系統的波道間距和波道頻寬外，另一種方法是增加光通信的頻段，由傳統波段延伸至長波段。因此使用在長波段的元件，將陸續地被開發。量測這些長波段的元件，必需使用長波段的寬頻光源，而我們提出的長波段 ASE 光纖光源，正能符合此應用。除了使用在量測元件特性，長波段 ASE 光纖光源還可應用在光纖陀螺儀、低同調光反射測量儀和頻譜分割 WDM 系統等。傳統波段的 ASE 光纖光源已被廣泛而充份的討論，而長波段的 ASE 光纖光源在文獻中較少被討論。一般的白光光源波長範圍雖可涵蓋長波段，但其功率很小，限制了它的應用範圍。傳統波段的放大器產生的 ASE，功率雖較大，卻無法涵蓋長波段。LED 光源功率小，SLD 光源的溫度穩定性差，有嚴重的波長漂移問題。且 LED 和 SLD 對光纖的功率耦合效率不佳，造成功率損耗。因此，本研究利用摻鉺光纖的放大特性，從不同的光源架構、幫激功率和反射量等因素，來探討和分析長波段 ASE 光纖光源的特性。有了這些瞭解，我們可以設計出高輸出功率、寬的頻譜線寬、穩定的平均波長，和平坦度佳的長波段 ASE 光纖光源。 1.3 論文結構本論文共分四個章節。第一章為序論，介紹 ASE光纖光源的研究背景和應用，研究動機和目的，及論文結構。第二章為放大自發性輻射光纖光源的基本原理及架構，包含摻鉺光纖放大器的基本原理，光纖光源的基本架構，光纖光源特性參數的定義，及光纖光源的穩定性和光源雜訊。第三章為長波段 ASE光纖光源的架構與實驗，包括摻鉺光纖長度的選擇，分別對前、後向幫激架構的實驗結果，就光源的特性作分析與討論。最後，第四章為本論文研究的總結。 7.

(18) 第二章放大自發性輻射光纖光源之原理與特性在本章中我們先介紹長波段摻鉺光纖放大器的原理，和放大自發性輻射光纖光源的架構，並就本論文中所使用光源特性參數作定義，同時說明量測這些特性參數的方法。最後，探討長波段光纖光源對溫度的穩定性和其雜訊。 2.1 摻鉺光纖放大器的基本原理摻鉺光纖放大器自 1990 年初期發明後，為光纖通信帶來革命性的發展，它使得洲際和海底的長距離光通信系統得以順利佈建。在高密度分波多工(DWDM)光通信系統，摻鉺光纖放大器更是不可或缺。傳統波段的摻鉺光纖放大器在增益平坦化後，其可用的增益頻寬約 35 nm [33]。為了滿足長途系統傳輸容量的需求，除了增加每個波道的傳輸容量、降低頻道間寬度外，另一種方法就是增加放大器的頻寬。前二種方法有色散補償、四波道混合(FWM)和光源波長穩定的問題。而第三種方法則是開發長波段的摻鉺光纖放大器。利用成熟的傳統波段摻鉺光纖放大器的技術，應用在長波段，使長波段的光通信傳輸得以實現。低雜訊指數(NF)、高功率轉換效率(PCE)和增益平坦的長波段摻鉺光纖放大器，已有人提出研究 [34-38]。當系統在非零色散平移光纖(NZDSF)中傳輸時，使用長波段光纖放大器，其傳輸容量在長波段可達 100 個波道，每個波道傳輸速率為 10 Gb/s 且波道間寬為 25 GHz，傳輸距離則可達 400 公里 [39-40]。若以亞碲酸鹽(tellurite) 為基質的摻鉺光纖放大器，適合傳輸波長範圍超過 1600 nm 的系統 [41]。使用 980 nm 和 1480 nm 混合幫激的方式，在長波段的傳輸容量可達 64 個 10 Gb/s 的波道，其傳輸距離超過 10000 公里。使用平行架構結合傳統波段和長波段放大器，其增益頻寬可超過 80 nm [42-45]，大幅地增加光通信的頻寬。 8.

(19) 摻鉺光纖放大器的組成和雷射類似，包含有增益介質和幫激系統，但沒有共振腔系統。摻鉺光纖放大器的增益介質為摻鉺光纖，物理結構和一般單模光纖相似，纖核直徑約 3-6μm，鉺離子(Er3+) 摻雜在摻鉺光纖中央纖核(core)的部分，因其異於光纖基質，鉺離子介入 SiO2 的結構，擾動其原有的原子環境，產生更多的電子可存在能階，此新的能階稱為 Stark level [46]。Stark level 使原來電子可存在的能階，變成能帶區域，對應至波長，則由單一波長擴展至一個波段，增加了放大器的適用頻寬。圖 2.1 為摻鉺光纖放大器的基本架構，其元件包括摻鉺光纖、幫激雷射、分波多工器及光隔離器 (isolator, ISO)。當幫激光源由分波多工器耦合進摻鉺光纖，其能量被鉺離子吸收，在基態能階(ground state)的電子被激發而躍遷至高能階，形成居量反轉(population inversion)。當入射信號光進入摻鉺光纖，會誘使在高能階的電子發生誘發性輻射(stimulated emission)，而掉至低能階，產生與入射信號光同相位、頻率及方向的光子，達成光信號放大的目的。若無入射信號光進入摻鉺光纖，電子在高能階存在一段時間後，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，在光纖中會誘使更多的電子產生誘發輻射，經放大之後成為最主要的輸出信號光，此稱為放大自發性輻射。鉺離子會成為光纖的摻雜元素，在於它的 4I15/2 至 4I13/2 (或 4I11/2 ) 的能階躍遷，圖 2.2 為鉺離子的能階圖，高能階 4I13/2 與低能階 4I15/2 間存在很大的能隙，所以激態電子在高能階的存活期較久，且電子從高能階遷移至低能階時，會產生輻射光。較長的存活期使得能階間的粒子居量反轉，可以使用功率較低，而實用的幫激雷射二極體即達成，此為摻鉺光纖放大器得以實用化的重要因素之一。幫激光源波長的選擇需考慮摻鉺光纖的吸收頻帶，在實驗上使用的幫激光源波長有 514 nm，810 nm，980 nm 和 1480 nm。常用的幫激光源為 980 nm 和 1480 nm 半導體雷射，因為在這兩個波段，摻鉺光纖 9.

(20) 中激態的鉺離子不會產生激態能階吸收 (excited state absorption, ESA)，使摻鉺光纖具有較高的幫激效益。980 nm 波長的幫激方式可以用三能階系統來表示，當激態電子吸收能量，躍遷至高能階 4. I11/2，短暫的時間內(~2 µs)即掉到較穩定的 4I13/2 能階，電子在此能. 階有較長的存活期，約 10 ms，故電子可以在此能階累積，而達到高居量反轉。因為摻鉺光纖在 980 nm 的吸收波段很窄，980 nm 的幫激光源的線寬需較窄，以落進吸收波段內，提高幫激效率。一般會在雷射二極體的輸出光纖上，加一個反射波長為 980 nm 的光纖布拉格光柵(fiber Bragg-grating, FBG)，以得到窄的幫激光源線寬。 1480 nm 波長的幫激方式屬於二能階系統，因為電子的激發躍遷和輻射，都是在同一能帶。1480 nm 波長的幫激系統，具有以下的優點，(1)幫激對信號的功率轉換效益較高；(2)較低的本質溫度係數 (intrinsic thermal coefficient); (3)摻鉺光纖在 1480 nm 的吸收波段較寬，故 1480 nm 的幫激雷射可以有較寬的頻譜線寬；(4)波長 1480 nm 的高功率幫激雷射二極體容易取得。我們以圖 2.3 來說明長波段摻鉺光纖放大器的放大原理 [34]，當以波長 980 nm 或 1480 nm 的幫激雷射幫激摻鉺光纖，幫激功率被前段的摻鉺光纖吸收，使其輻射出 1550 nm 波段的 ASE。此 C-band 的 ASE 在光纖中傳遞時，會成為光纖的另一個幫激功率來源，而對其後的光纖進行幫激，使其輻射出 1580 nm 波段的 ASE。以 C-band 的 ASE 來幫激摻鉺光纖其效益必不理想，為了提高長波段 ASE 的輻射功率，必需使用高功率的幫激雷射來幫激摻鉺光纖，使它輻射的 C-band ASE 夠強，而能激發更多的粒子居量反轉，進而輻射出長波段 ASE。因此長波段放大器的幫激光源，一般都選用高功率的 1480 nm 波段的幫激雷射。 2.2 基本架構放大自發性幅射光纖的架構是由光源系統中是否有反射器 10.

(21) (reflector)，及幫激光傳輸方向相對於光源輸出傳輸方向來決定。反射器一般用光纖反射鏡或光纖光柵，圖 2.4 為四種單幫激光纖光源的基本架構，無反射器的是單行架構(single-pass configuration) [圖 2.4 (a)、(c) ]，相對光源輸出端若有反射鏡或光纖光柵，則為復行架構 (double-pass configuration) [圖 2.4 (b)、(d) ]。無反射器的光纖端面須切斜角或使用折射率匹配液(index-matching oil)，以避免該端面產生反射，影響摻鉺光纖的粒子反轉分佈。幫激光傳輸方向和光源輸出方向決定光源為前向 (forward configuration)或後向(backward configuration)架構，幫激光傳輸方向與光源輸出方向相同時，此架構稱為前向架構，如圖 2.4 (a)、 (b)。若幫激光傳輸方向與光源輸出方向相反時，則稱為後向架構，如圖 2.4(c)、(d)。所以，圖 2.4 的四種基本架構分別為前向單行架構 (single-pass forward ，SPF)、前向復行架構(double-pass forward ， DPF)、後向單行架構(single-pass backward，SPB)和後向復行架構 (double-pass backward，DPB)。設計放大自發性輻射光纖光源時，可考慮的因素有幫激光源的功率、幫激光源的波長、光源的架構和摻鉺光纖的長度。利用這四個參數可以改變光源的輸出頻譜分佈、光源的穩定度和光源的輸出功率。而摻鉺光纖的設計參數亦是影響光源特性的重要因素，例如光纖內鉺離子的摻雜濃度、摻雜分佈和共同摻雜元素等，在一定的範圍內調整這些參數，可以改變光源的輸出特性。此外，反射器的反射量，對光源的頻譜平坦度有相當的影響。若無法從反射器的反射量來調整平坦度，則使用適當的平坦化技術，亦可以有效地改善光源頻譜的平坦度。 2.3 光源的特性參數定義光源的平坦度可以從頻譜分析儀觀察，我們定義功率密度變化 11.

(22) 量ΔP，用量化的方式來描述光源的平坦度 [47]。圖 2.5 是某光源的頻譜分佈圖，功率密度變化量ΔP 是指在光源頻譜的高功率位準處，有高低不平坦的功率分佈，從高點至低點的差值，定為功率密度變化量ΔP，單位是 dB。光源的平均波長以加權平均方式計算，加權因子為功率密度。把光源頻譜切割成 n 個等間隔Δλi 的區域，由每個小區域的波長λi 對應的功率 P(λi)，代入方程式. ∑ P(λ ) ⋅ λ n. λm =. i. i =1. i. (2.1). ∑ P(λ ) n. i. i =1. 即可求得光源的平均波長λm [12]。光源的頻譜分佈可能有多個峰值 (peak)，其 3 dB 頻寬難以直接從頻譜界定，故我們以方程式  n P(λ ) ⋅ ∆λ  i i  ∑  i =1 ∆λ =. ∑ P (λ ) ⋅ ∆λ n. 2. (2.2). 2. i =1. i. i. 來定義光源的頻譜線寬[47]。 2.4 光源的平均波長穩定性在感測系統上若使用放大自發性輻射光源，光源的穩定性將影響感測系統的精確度。以光纖陀螺儀為例，其精確度由比例因子的穩定性決定，而桑亞克相位差ΔΦ和旋轉率Ω的關係如下：. ∆Φ =. 4πaL Ω λ mc. (2.3). 12.

(23) 其中 c 為光速，L 為光纖總長度，a 為光纖束的半徑，λm 是光源的平均波長。所以，在系統的考量上，光源平均波長穩定性是重要的因素。放大自發性輻射光纖光源的平均波長穩定性，一般是受到溫度影響。除了直接的溫度影響，尚有其它與溫度相關的因素需考慮。平均波長受溫度影響的關係，可表示為 [13] dλm ∂λm  ∂λm   ∂Ppump   ∂λm   ∂λ pump  +  = + ⋅ ⋅ dT ∂T  ∂Ppump   ∂T   ∂λ pump   ∂T . (2.4). 等式右邊第一項是光纖介質受溫度影響的本質因素，第二項和第三項分別是平均波長受幫激光功率和幫激光源波長的影響。幫激雷射二極體的波長係數，一般約 400 ppm/℃，而功率變化約 -0.3 mW/ ℃。光纖陀螺儀的光源穩定度，需達到平均波長變化量在 1 ppm 內，因光纖的溫度變化量很容易控制在 0.1 ℃內，所以，放大自發輻射光纖光源的溫度變化量，需在 10 ppm/℃內，以滿足光纖陀螺儀的光源要求 [12]。 2.5 光源的雜訊在放大自發性輻射光纖光源內，摻鉺光纖中的自發輻射光子所產生的自發輻射拍差雜訊(spontaneous-spontaneous beat noise)，若落在光源的頻寬內，將使得光檢測器產生雜訊，此雜訊稱為額外雜訊 (excess noise) 。額外雜訊會使光檢測器輸出電流發生變動 (fluctuation)，以下式表示 [16]. (∆I ). 2. = 2 e I B + 2eI d B + I B / ∆ ν + 4kTB / R 2. 13. (2.5).

(24) 其中 I. : 檢測器平均電流. Id. : 檢測器漏電流(dark current). e. : 電子電荷量. B. : 檢測器電頻寬. Δν : 光源頻寬 k. : 波茲曼常數(Boltzman constant). T. : 絕對溫度. R. : 負載電阻. 上式右側第一、二項是光檢測器的散彈雜訊(shot noise)，第三項是光源所產生的額外雜訊，末項則是熱雜訊(thermal noise)。散彈雜訊和熱雜訊是光檢測器的固有雜訊，前者乃因光檢測器的電流是由光子轉換的電子流所組成，光電轉換是隨機時間發生，故在某一時間的電流可能與平均電流有少許的差值，此電流變動為散彈雜訊。熱雜訊是由光檢測器電路的前端負載電阻，因熱造成電阻內的電子飄移，使光檢測器的平均電流發生變化，此雜訊為熱雜訊，又稱強生雜訊(Johnson noise)。光檢測器的漏電流所引起的散彈雜訊和熱雜訊，一般都很小，可忽略不計。因此，在光檢測器所接收到的信號，其信號雜訊比可表示為 [18] 2. I I SNR = = ∆I 2 2eB + I B / ∆ν. 14. (2.6).

(25) 若 I << 2e∆ν (散彈雜訊主控)，則信號雜訊比為. SNR = I / 2eB. (2.7). 反之，若 I >> 2e∆ν (額外雜訊主控)，則信號雜訊比為 SNR = ∆ν / B. (2.8). 當入射光檢測器之信號較小時，雜訊成份以散彈雜訊為主，其信號雜訊比與入射信號成正比。一般光纖光源具有高輸出功率，此時雜訊以額外雜訊為主，其信號雜訊比為一定值，並不會因輸入信號的增加而改善信號雜訊比，欲改善信號雜訊比，需增加光源的頻譜線寬，或使用電頻寬較小的檢測器。光纖光源的輸出功率一般都超過 10 mW，此高功率光源會使得系統雜訊由熱雜訊和散彈雜訊，變成以光源的額外雜訊所主控 [48]。光源雜訊會劣化系統性能，尤其是感測系統，這些雜訊會使得系統的靈敏度降低而動態範圍變小。提高輸入光功率並不能改善系統性能，而必需從光源特性來改進。以光纖陀螺儀為例，其受到額外雜訊所限制的最小可測旋轉率為 [16]. Ω limit ≅. cλm B 4πLa ∆ν. (2.9). 其中 c 為光速，λm 為光源的平均波長，L 為光纖的總長度，a 是光纖繞束的半徑。改善可測的最小旋轉率的方法之一，是增加光源的頻寬Δν。. 15.

(26) 第三章. 長波段 ASE 光纖光源架構與實驗. 本章介紹長波段 ASE 光纖光源的架構與實驗。首先介紹實驗的裝置，光源架構有 SPF、DPF、SPB 和 DPB。在不同的反射量時，調整幫激光源功率，記錄 ASE 光源的特性，並做分析與討論。 3.1 實驗裝置圖 3.1 為 ASE 光纖光源的實驗架構，光路的右側為輸出端，左側為反射端。使用的摻鉺光纖是 HighWave Optical Technologies 所製造的 ER741 摻鉺光纖，其基質為矽。光纖的纖核直徑約 3 µm，截止波長 (cutoff wavelength) 為 980 nm ，吸收係數 (absorption coefficient)在 1532 nm 為 7 dB/m，在 1480 nm 為 3 dB/m，表 3.1 為摻鉺光纖的特性規格。幫激光源使用的是 JDS Uniphase 的雷射二極體(type: CQF858/9214)，其最大輸出功率為 110 mW，在耦合器之後量得的最大功率為 100 mW，雷射的頻譜分佈在 1470-1480 nm 之間，圖 3.2為幫激雷射的輸出頻譜。幫激光源經由SIFAM 的 1480/1580 nm 波長選擇耦合器(wavelength selective coupler, WSC)耦合進摻鉺光纖，耦合器的作用是耦合由光纖反射鏡反射回摻鉺光纖的 1550 nm 波段 ASE，或是將 1580 nm 波段 ASE 耦合到輸出端。圖 3.3 為此耦合器的插入損失頻譜圖，在 1480 nm 信號的插入損失為 0.4 dB，在 1550 nm 為 5.5 dB，在 1580 nm 則為 0.6 dB。此耦合器在 1480 nm 和 1580 nm 有很小的插入損失，在 1550 nm 的插入損失較大，會對反射端的 ASE 造成很大的功率損耗，降低它再幫激摻鉺光纖的功用。在輸出端加上 SHINKOSHA 的光隔離器，是為了避免在輸出端的反射信號進入摻鉺光纖中，造成雜訊放大。隔離器在 1580 nm 的隔離度為-49 dB，圖 3.4 為光隔離器的插入損失頻譜圖，在 15401600 nm 的插入損失約 1.2 dB，在短波長的插入損失稍大，在 1550 nm 有 1.4 dB 的插入損失。 16.

(27) 在反射端的部份，有 0%、4%、8% 和 80%四種反射量。反射量 0%的是單行架構，在實驗時，將反射端的光纖彎折成直徑小於 1 公分的圓環，使經過的 ASE 信號產生高的功率損失，避免發生反射。在復行架構則有 4%、8% 和 80%三種反射量，若將反射端的光纖切成垂直光纖軸心的端面，在光纖和空氣的介面會產生約 4% 的端面反射。使用反射率 80%的光纖反射鏡，可造成反射端的高反射量，圖 3.5 為光纖反射鏡的插入損失頻譜圖。另外在光纖反射鏡和耦合器間加上可調式光衰減器，利用光衰減器的功率衰減，可得到所需的反射量。將光衰減器的衰減量設為 5 dB，則可得反射端 8% 的反射量。在 ASE 光纖光源的輸出端接上光頻譜分析儀，記錄光源的輸出頻譜和光功率，將量得的資料以式(2.1)和(2.2)計算出光源的平均波長和頻譜線寬。 3.2 實驗量測結果在實驗中，首先必需決定適合做為長波段 ASE 光源的摻鉺光纖長度。選用適當長度的摻鉺光纖後，從架構和不同的反射量的考量下，可以有各種的光源輸出，架構有 SPF、DPF、SPB 和 DPB 四種，復行架構的反射量則有 4%、8%和 80%三種。調整幫激雷射的光功率，記錄在各種幫激功率下的光源特性。 3.2.1 摻鉺光纖長度摻鉺光纖的長度影響輻射的 ASE 頻譜落在 C-band 或 L-band，欲輻射出 L-band 的 ASE，光纖的長度需比輻射 C-band ASE 的長。我們共有三種長度的摻鉺光纖，分別為 60 公尺、100 公尺和 130 公尺。在幫激功率 100 mW 時，分析各種架構在不同的反射量時的光源特性，我們討論的架構有 SPF、DPF、SPB 和 DPB，反射量有 4%和 80%兩種，共有六種光源。圖 3.6 至圖 3.8 分別是不同光纖長度的光源輸出功率、平均波長和線寬，圖中有些長度的資料點未標. 17.

(28) 示出來，這是因為在該情況下，光纖產生瞬間的 lasing 現象。發生此現象的原因可能是反射的 ASE，產生被放大的雷利後散射，在光纖中與反射端的光纖反射鏡形成暫時的共振腔，而發生瞬間的 lasing。發生此雜訊，光源輸出將變得不穩定，因此光源不能操作在發生 lasing 的情形下。從輸出功率、線寬和平均波長三個光源特性考慮，100 公尺的摻鉺光纖是較適合的光纖長度，此時的輸出功率大於 10 mW，光源線寬超過 24 nm。當光纖長度為 60 公尺時，光源的線寬將不超過 24 nm。在 130 公尺的光纖長度，雖然 SPF 的光源線寬可以超過 50 nm，但是功率只有 0.1 mW。在光纖長度為 60 公尺和 100 公尺，其光源特性比較 100 公尺時，不是輸出功率就是光源線寬變得較差，因此 100 公尺是較適合的光纖長度。選定摻鉺光纖的長度後，我們接著討論的是在不同幫激功率下，各種架構的 ASE 光源特性。 3.2.2 輸出功率幫激雷射是摻鉺光纖中粒子發生居量反轉的能量來源，不同的幫激功率耦合進摻鉺光纖，會使摻鉺光纖產生不同程度的粒子反轉程度，而影響其輻射出的 ASE 光功率。圖 3.9 是調整不同的幫激功率，所得到的 ASE 光源功率。從圖中的曲線可看出，光源的輸出功率隨著幫激功率的增加而遞增，前向幫激架構的光源功率比後向架構小，最小的是 SPF 架構，在 100 mW 的幫激功率下，其輸出功率僅 0.1 mW。DPF 架構比 SPF 架構的輸出功率大，反射端的反射量為 4%時，在 100 mW 的幫激功率下，其最大的功率為 11.25 mW。在 8%的反射量時，以 100 mW 的幫激功率幫激摻鉺光纖，可得到 13.8 mW 的 ASE 輸出功率。同樣 100 mW 的幫激功率去幫激摻鉺光纖，在反射量為 80%的 DPF 架構，光源的輸出光頻譜會出現 lasing。將幫激功率下降至 80 mW，才不會產生 lasing 的現象，此時 ASE 的功率為 11.02 mW。在固定的幫激功率下，前向架構的光源功率大小之順序為反射量 80%的復行架構，反射量 8%的復行架 18.

(29) 構，反射量為 4%的復行架構，最小的是單行架構。後向幫激架構的三條曲線幾乎重疊，不論是單行或復行架構，在固定幫激功率時，其 ASE 輸出功率相差在 0.1 mW 以內，可以視為具有一樣的功率。此顯示後向幫激架構的 ASE 光源輸出功率，不受反射端不同反射率的影響。後向幫激架構在 100 mW 的幫激功率時，其 ASE 光源的輸出功率為 28.8 mW，比前向幫激架構的輸出功率大了 2 倍以上。 3.2.3 光源頻譜後向幫激架構的三種 ASE 光源，其在幫激功率為 100 mW 時的頻譜如圖 3.10，三種光源的頻譜曲線幾乎重疊，此與圖 3.9 的輸出功率曲線相吻合。功率分佈範圍從 1510-1630 nm，在 1530 nm 附近有一個小突起，這與 C-band ASE 頻譜在 1530 nm 的突起類似。光功率分佈從 1510 nm 短波長逐漸增加至 1560 nm 附近有最高的頻譜隆起，在往長波長方向，光功率逐漸下降。從頻譜可知，此光源的頻譜並無平坦的區域，在光源的應用上可能受限。在 1590-1620 nm 區域，DPB 架構在反射量為 80%時的光源頻譜較 SPB 和 DPB 反射量 4%時的位準高，此乃前向 ASE 被光纖反射鏡以較高的 80%反射量反射回摻鉺光纖，而被放大所致。因為前向的 ASE 功率很小，經過波長耦合器的功率衰減，在反射端 4%的低量反射下，反射回摻鉺光纖的功率極小，因此頻譜與 SPB 的光源頻譜幾乎重疊。圖 3.11 為前向幫激架構的光源在幫激功率最大而不發生 lasing 所記錄的頻譜，單行架構的光源輸出功率較低，其頻譜分佈的功率位準也最低，約在-45 dBm 附近，分佈的範圍從 1570-1630 nm。從 DPF 架構的頻譜分佈，可看出其輸出功率比 SPF 架構大。DPF 架構在 4%反射量時，其頻譜分佈約在 1565-1605 nm 之間，在 1570 nm 處有一個約 2.4 dB 的突起，而在 1580-1600 nm之間則有一段約20 nm 的平坦區域。若反射量為 80%的 DPF 光源，其頻譜分佈則往長波 19.

(30) 長偏移，分佈範圍在 1570-1610 nm 之間，隆起的區域則在 1600 nm 波段，整個光源的頻譜分佈，並無平坦的區域。反射量 8%時，光源頻譜為各架構中最平坦，在 1565-1605 nm 有平坦的區域，其ΔP 為 1.2 dB。復行架構因為在反射端有反射，較高功率的後向 ASE 在反射端被反射回摻鉺光纖，此信號被摻鉺光纖放大或對摻鉺光纖進行再幫激，其幫激效益較高，故在輸出端輻射出的 ASE 功率必較單行架構高，功率位準也較高。 3.2.4 平均波長與線寬圖 3.12 為 SPB 架構在不同幫激功率下的 ASE 光源頻譜，光源頻譜的功率位準隨幫激功率的增加而漸增，其中在 1560-1600 nm 的增加幅度比較短波段 1510-1560 nm 稍大，所以其平均波長會隨幫激功率增加而往長波長移動。後向幫激架構的三種 ASE 光源頻譜和特性曲線幾乎重疊，因此我們在此僅就 SPB 架構提出分析。圖 3.13 為七種單幫激架構 ASE 光源的幫激功率對平均波長的曲線圖，後向幫激架構三種光源因為頻譜重疊，其平均波長亦重疊。後向幫激架構的光源頻譜分佈很廣，範圍從 1510-1600 nm，在 1560 nm 處有一個較高的隆起區域，經過式(2.1)的計算，平均波長落在功率位準較高的 1560 nm 附近。當幫激功率從 20 mW 增加到 100 mW，光源的平均波長從 1557.4 nm 移至 1559.6 nm，往 1560 nm 方向移動了 2.2 nm。光源的線寬對幫激功率的關係如圖 3.14，後向幫激架構的光源線寬隨幫激功率的增加而減少，原因是光源頻譜在 1560 nm 附近的隆起，其功率位準的增加幅度較其他波段大，因此在式(2.2) 的計算，其加權較重，線寬因而減少。在幫激功率 20 mW 時線寬為 30 nm，幫激功率增至 100 mW 時，線寬變為 24 nm。前向幫激架構的光源，在不同的幫激功率下，其平均波長隨幫激功率增加而往較短波長方向移動，光源線寬則無一定的變化。從圖 3.15 的 SPF 架構光源頻譜可對應其在不同幫激功率時的平均波長變化，當 20 mW 的低幫激功率時，光源頻譜的最高點約在 1620 nm 20.

(31) 處，幫激功率漸增時，其頻譜最高位準點往短波長方向移動，而頻譜的分佈範圍，也漸往短波長方向延伸。由加權方式計算得的平均波長，亦往較短波長方向移動，在幫激功率 20 mW 時，平均波長為 1619.6 nm，幫激功率增加至 100 mW 時，其平均波長移往 1604.7 nm。光源的線寬則在低幫激功率時，光源的 ASE 功率位準低，在計算線寬時其加權較低，而包含有部份雜訊，使其線寬增加。當幫激功率增加，光源的 ASE 功率位準漸高，其功率加權變重，而得到與頻譜較接近的線寬。SPF 架構的光源線寬隨著幫激功率增加而漸減，在幫激功率為 20 mW 時，其線寬為 49.2 nm，當幫激功率增加至 100 mW，線寬則為 38.3 nm。在高幫激功率時，計算所得的線寬，與實際頻譜的線寬較接近。 DPF 架構光源的平均波長較接近 1590 nm，其隨幫激功率的增加而往較短波長的方向移動。圖 3.16 為反射量 4%的光源頻譜圖，當幫激功率漸增時，光源頻譜會逐漸往較短波長的區域延伸，約在 1560 nm 附近，且頻譜的功率位準也漸增，在 1570 nm 附近有較大的增加量，因此平均波長會往 1570 nm 靠近。在幫激功率 40 mW 時，光源的平均波長為 1596.9 nm，在幫激功率 100 mW 時則為 1582.8 nm。幫激功率為 60 和 80 mW 時，光源頻譜較平坦，所得到的光源線寬最大，約 41 nm。在低幫激功率 40 mW 時，其輻射的 ASE 光源頻譜較窄，在 100 mW 高幫激功率時，光源頻譜在 1570 nm 處有一個小突起，導致光源線寬的減少，此時的光源線寬約 39 nm。 DPF 架構在反射量 80%時，其頻譜變化的情形與反射量 4%時類似，圖 3.17 為 DPF 架構反射量 80%的光源頻譜。頻譜的最高點，在低幫激功率 20 mW 時約在 1605 nm，幫激功率增加時除功率位準增加，最高位準點會往較短波長移動，在高幫激功率 80 mW 時，頻譜高位準點移至約 1595 nm。對應圖 3.13 平均波長的移動，從幫激功率 20 mW 的 1605.6 nm 至幫激功率 80 mW 的 1593.8 nm，與圖 3.17 的頻譜吻合。而光源的線寬則隨著幫激功率的增加而逐漸變寬，在幫激功率 20 mW 時線寬為 30.5 nm，80 mW 時則為 33.7 nm。 21.

(32) 圖 3.18 為 DPF 架構反射量 8%時在各幫激功率下的頻譜圖，光源功率位準隨幫激功率的增加而漸增，其頻譜分佈同時往 C-band 方向延伸，而頻譜的平坦度也隨幫激功率的增加而逐漸平坦，在幫激功率 100 mW 時，光源的平坦度最佳，其ΔP 為 1.2dB。平均波長在 40 mW 幫激時為 1596.2 nm，在 100 mW 幫激時為 1585.7 nm，變化趨勢與反射量 4%及 80%時一致。頻譜線寬則隨幫激功率增加而漸寬，在 40 mW 幫激時線寬為 33.5 nm，100 mW 幫激時線寬增為 40.9 nm。 3.3 討論我們使用 1480 nm 波段的幫激雷射，以前向幫激和後向幫激的方式，分別對 100 公尺的摻鉺光纖進行幫激。調整幫激光源的功率，使其在不同的幫激架構，和不同的反射端反射量時，得到光纖輻射的各種 ASE 光源的特性。表 3.2 是在各種條件下所測量到較好的光源特性，包括輸出光功率 (Pout )、平均波長(λm)、頻譜線寬(∆λ)和幫激效益(η)，幫激效益是 ASE 光源的功率除以幫激功率所得到的值，此值越大表示幫激功率轉換為 ASE 光源功率的比率越高，效益越好。以輸出功率而言，後向幫激架構的光源功率最大，有 28.8 mW，其幫激效益也是最好，但是後向幫激的平均波長在傳統波段範圍，且平坦度差，因此難成為長波段 ASE 光纖光源。前向幫激架構的輸出功率雖然較低，但其平均波長落在長波段的範圍，且頻譜線寬超過 30 nm，其中又以 DPF 架構的特性較好。復行架構在低反射量 8%時，其輸出功率為 13.8 mW，平均波長為 1585.7 nm，光源線寬為 40.9 nm，幫激效益為 13.8%。因此 DPF 架構的光源將是單幫激組態中，適合當做長波段的 ASE 光纖光源。長波段的 ASE 光纖光源與傳統波段的光源具有不同的特性，在傳統波段，SPB 由於架構簡單且不會 lasing 的情形，因此是常被使用的架構。而 DPF 和 DPB 架構則可以提供更高的輸出功率和穩定的平均波長，其中 DPB 又優於 DPF，表 3.3 為傳統波段的 ASE 22.

(33) 光纖光源的特性 [47, 49 , 50]。在長波段的 ASE 光源中，後向幫激的 SPB 和 DPB 架構，其頻譜因有高的隆起，使光源特性變差。在前向幫激架構中，SPF 的輸出功率太低，以 DPF 的特性較好，其中又以反射端具有低反射量(8%)的光源，具有較佳的特性。. 23.

(34) 第四章結論本論文使用單幫激的組態來研究長波段放大自發輻射光纖光源，實驗的架構有 SPF、SPB、DPF 和 DPB 四種，反射端的反射量則有 0%、 4%、8% 和 80%。在 100 mW 的固定幫激功率下，我們得到 ASE 光源的最適合摻鉺光纖長度為 100 公尺。在不同的架構和各種反射端反射量，藉著調整幫激雷射功率，找到最佳的光源輸出特性。在實驗中，我們可以發現幫激功率和光纖長度會影響光纖的居量反轉程度，進而改變 ASE 頻譜輻射的波段和其功率。同時摻鉺光纖中的 lasing 效應，限制了更高功率的幫激，ASE 光源的特性因而受限。從實驗的結果分析，後向幫激並不適合做為長波段的 ASE 光源，前向幫激的 SPF 也不是好的架構。單幫激組態中最適當的 ASE 光源為 DPF 的架構，比較反射量 4%、8% 和 80%所量測的數據，DPF 在低反射量時有較好的特性，以反射量 8%時最佳，其輸出功率和幫激效益分別為 13.8 mW 和 13.8%，平均波長落在 1585.7 nm，頻譜線寬為 40.9 nm， ΔP 為 1.2 dB。這樣的結果和傳統波段以 DPB 為最佳架構並不相同，原因為使用的光纖長度不同和所造成的粒子反轉程度也不同，反應在光纖所輻射的 ASE，使得 ASE 光源的特性迥異。. 24.

(35) 參考文獻 [1] P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet and B.Y. Kim, “Wavelength stability of a high-output, broadband, Er-doped superfluorescent fiber source pumped near 980nm,” Optics Lett., vol. 16, no. 12, pp. 961-963, 1991. [2] P. R. Morkel, K. P. Jedrzejewski, E. R. Taylor and D. N. Payne, “High-gain superfluorescent neodymium-doped single mode fiber source,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, no. 7, pp. 706-708, 1992. [3] J. L. Wagener, M. J. F. Digonnet and H. J. Shaw, “A high-stability fiber amplifier source for the fiber optic gyroscope,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 15, no. 9, pp.1689-1694, 1997. [4] M. J. F. Digonnet and K. Liu, “Analysis of a 1060-nm Nd:SiO2 superfluorescent fiber laser,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 7, no. 7, pp. 1009-1015, 1989. [5] D. C. Hall and W. K. Burns, “Wavelength stability optimization in Er3+-doped superfluorescent figre sources,” Electron. Lett., vol. 30, no. 8, pp.653-654, 1994. [6] H. Fevrier, J. F. Marcerou, P. Bousselet, J. Auge and M. Jurczyszyn, “High power, compace 1.48um diode-pumped broadband superfluorescent fibre source at 1.55um,” Electron. Lett., vol. 27, no. 3, pp. 261-263, 1991. [7] W. K. Burns, C. Chen and R. P. Moeller, “Fiber-optic gyroscopes with broad-band sources,” J. Lightwave Technol., vol. LT-1, no. 1, pp. 98-105,1983. [8] K. Takada, T. Kitagawa, W. Shimizu and M. Horiguchi, “ High-sensitivity low coherence reflectometer using erbium-doped superfluorescent fibre source and erbium-doped power amplifier,” Electron. Lett., vol. 29, no. 4, pp. 365-367, 1993. [9] G. Sagnac, “L’ether lumineux demontre par l’effet du vent relatif d’ether dans un interferometer en rotation uniforme,” Compte-rendus de l’Academie des Sciences, vol. 95, pp. 708-710, 1913. [10] R. A. Bergh, H. C. Lefevre and H. J. Shaw, “An overview of fiber-optic gyroscopes,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. LT-2, no. 2, pp. 91-107, 1984. [11] V. Vali and R. W. Shorthill, “Fiber ring interferometer,” Appl. Opt., vol. 15, pp. 1099-1100, 1976.. 25.

(36) [12] P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet, B. Y. Kim and H. J. Shaw, “Characteristics of erbiumdoped superfluorescent fiber sources for interferometric sensor applications,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 12, no. 3, pp. 550-567, 1994. [13] D. C. Hall, W. K. Burns and R. P. Moeller, “High-stability Er3+-doped superfluorescent fiber sources,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 13, no. 7, pp. 1452-1460, 1995. [14] C. C. Cutler, S.A. Newton and H.J. Shaw, “Limitation of rotation sensing by scattering,” Opt. Lett., vol. 5, no. 11, pp. 488-490, 1980. [15] R. A. Bergh, B. Culshaw, C.C. Cutler, H. C. Lefevre and H.J. Shaw, “Source statistics and the Kerr effect in fiber-optic gyroscopes,” Opt. Lett., vol. 7, no. 11, pp. 563-565, 1982. [16] K. Iwatsuki, “Excess noise reduction in fiber gyroscope using broader spectrum linewidth Erdoped superfluorescent fiber laser,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 3, no. 3, pp. 281-283, 1991. [17] W. K. burns, R. P. Moeller and A. Dandridge, “Excess noise in fiber gyroscope sources,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 2, no. 8, pp. 606-608, 1990, [18] P. R. Morkel, R. I. Laming and D. N. Payne, “Noise characteristics of high-power dopedfiber superluminescent sources,” Electron. Lett., vol. 26, no. 2, pp.96-98, 1990. [19] B. L. Danielson and C. D. Whittenberg, “Guided-wave reflectometry with micrometer resolution,” Appl. Opt., vol. 26, no. 14, pp.2836-2842, 1987. [20] S. R. Chinn and E. A. Swanson, “Blindness limitations in optical coherence domain reflectometry,” Electron. Lett., vol. 29, no. 23, pp.2025-2027, 1993. [21] W. V. Sorin and D. M. Baney, “Measurement of Rayleigh backscattering at 1.55um with 32um spatial resolution,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol 4, no. 4, pp. 374-376. [22] K. Takada, H. Yamada and M. Horguchi, “Loss distribution measurement of silicabased waveguides by using a jaggedness-free optical low coherence reflectometer,” Electron. Lett., vol. 30, no. 17, pp. 1441-1443, 1994. [23] K. Takada, M. Yamada and S. Mitachi, “Optical low coherence reflectometer with a 47-dB dynamic range achieved by using a Fluoride-based Erbium-doped fiber amplifier,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, no. 4, pp. 593-597. [24] P. Y. Fonjallaz, H. G. Limberger, R. P. Salathe, C. Zimmer and H. H. Gilgen, “Direct determination of main fiber Bragg grating parameters using OLCR,” IEE Proc. Optoelectron.,. 26.

(37) vol. 141, no. 2, pp. 141-144, 1994. [25] U. Wiedmann, P. Gallion, Y. Jaouen and C. Chabran, “Analysis of distributed feedback lasers using optical low-coherence reflectometry,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, no. 5, pp. 864-869, 1998. [26] J. S. Lee, Y. C. Chung and D. J. DiGiovanni, “Spectrum-sliced fiber amplifier light source for multichannel WDM applications,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 12, pp. 1458-1461, 1993. [27] M. H. Reeve, A. R. Hunwicks, W. Zhao, S. G. Methley, L. Bickers and S. Hornung, “LED spectral slicing for single-mode local loop application,” Electron. Lett., vol. 24, no. 7, pp. 389-390, 1988. [28] K. Y. Liou, J. B. Stark, U. Koren, E. C. Burrows, J. L. Zyskind and K. Dreyer, “System performance of an eight-channel WDM local access network employing a spectrum-sliced and delay-line-multiplexed LED source,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 5, pp. 696698, 1997. [29] P. D. Killkelly, P. J. Chidgey and G. Hill, “Experimental demonstration of a three channel WDM system over 110km using superflminscent diodes,” Electron. Lett., vol. 26, pp. 167169, 1990. [30] J. H. Han, J. S. Lee, S. S. Lee, T. Y. Yun, H. K. Kim, C. H. Lee and S. Y. Shin “2.5Gbit/s transmission of spectrum-sliced fibre amplifier light source channels over 200km of dispersion-shifted fibre,” Electron. Lett., vol. 31, no. 12, pp. 989-991, 1995. [31] J. H. Han, S. J. Kim and J. S. Lee, “Transmission of 4×2.5Gb/s spectrum-sliced incoherence light channels over 240km of dispersion-shifted fiber with 200-GHz channel spacing,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 901-903. [32] D. K. Jung, S. K. Shin, C. H. Lee and Y. C. Chung “Wavelength-division-multiplexed passive optical network based on spectrum-sliced techniques,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 10, no. 9, pp. 1334-1336, 1998. [33] F. A. Flood, “L-band erbium-doped fiber amplifiers,” Optical Fiber Communication Conference, vol. 2, pp. 102-104, 2000. [34] H. Ono, M. Yamada, T. Kanamori, S. Sudo and Y. Ohishi, “1.58µm band gain-flattened erbium-doped fiber amplifiers for WDM transmission systems,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 17, no. 3, pp. 490-496, 1999.. 27.

(38) [35] H. S. Chung, M. S. Lee, D. Lee, N. Park and D. J. DiGiovanni “Low noise, high efficiency Lband EDFA with 980nm pumping,” Electron. Lett. vol. 35, no. 13, pp. 1099-1100, 1999. [36] N. Shimojoh, T. Naito, T. Tanaka, H. Nakamoto, T. Ueki and M. Suyama, “640Gbit/s (64×10Gbit/s) WDM transmission over 10,127km using L-band EDFAs,” Electron. Lett., vol. 36, no. 2, pp. 155-156, 2000. [37] A. Buxens, H. N. Poulsen, A. T. Clausen and P. Jippesen, “Gain flattened L-band EDFA based on upgraded C-band EDFA using forward ASE pumping in an EDF section,” Electron. Lett., vol. 36, no. 9, pp. 821-823, 2000. [38] J. Lee, U. C. Ryu, S. J. Ahn and N. Park, “Enhancement of power conversion efficiency for an L-band EDFA with a secondary pumping effect in the unpumped EDF section,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 1, pp. 42-44, 1999. [39] A. K. Srivastava, S. Radic, C. Wolf, J. C. Centanni, J. W. Sulhoff, K. Kantor and Y. Sun, “Ultra-dense terebit capacity WDM transmission in L-band,” Optical Fiber Communication Conference, vol. 4, pp. 248-250, 2000. [40] A. K. Srivastava, S. Radic, C. Wolf, J. C. Centanni, J. W. Sulhoff, K. Kantor and Y. Sun, “Ultradense WDM transmission in L-band,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 11, pp. 1570-1572, 2000. [41] A. Mori, T. Sakamoto, K. Shikano, K. Kobayashi, K. Hoshino and M. Shimizu, “Gain flattened Er3+-doped tellurite fibre amplifier for WDM signals in the 1581-1616nm wavelength region,” Electron. Lett., vol. 36, no. 7, pp. 621-622, 2000. [42] H. S. Chung, H. B. Choi, M. S. Lee, D. Lee, N. Park, S. J. Ahn and Y. W. Koh, “Demonstration of 540-dB loss compensation over 52nm gain bandwidth with wideband erbium-doped fiber amplifiers,” IEEE Pacific Rim’99, pp. 644-645, 1999. [43] Y. Sun, J. W. Sulhoff, A. K. Srivastava, J. L. Zyskind, T. A. Strasser, J. R. Pedrazzani, C. Wolf, J. Zhou, J. B. Judkins, R. P. Espindola and A. M. Vengsarkar, “80nm ultra-wideband erbium-doped silica fibre amplifier,” Electron. Lett., vol. 33. no. 23, pp. 1965-1967. [44] B. Min, H. Yoon, W. J. Lee and N. Park, “Coupled structure for wide-band EDFA with gain and noise figure improvements from C to L-band ASE injection,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 5, pp. 480-482, 2000. [45] B. Min, H. Yoon, W. J. Lee and N. Park, “Performance improvement of wideband EDFA by ASE injection from C band to L band amplifier,” Optoelectronics and Communications. 28.

(39) Conference, vol. 2, pp. 1346-1347, 1999. [46] P. C. Becker, N. A. Olsson and J. R. Simpson, Erbium-Doped Fiber AmplifiersFundamentals and Technology, Academic Press, San Diego and London, 1999. [47] T. C. Liang, Y. S. Lin and Y. K. Chen, “Comparison of the characteristics of double-pass erbium superfluorescent fiber sources obtained from different flatting techniques,” Appl. Opt., vol. 38, no. 3, pp. 522-529, 1999. [48] M. Tur, E. Shafir and K. Blotekjaer, “Source-induced noise in optical systems driven by lowcoherence sources,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 8, no. 2, pp. 183-189, 1990. [49] L. A. Wang and C. D. Su, “Modeling of a double-pass backward Er-doped superfluorescent fiber source for fiber-optic gyroscope applications,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 17, no. 11, pp.2307-2315, 1999. [50] S. Hsu, T. C. Liang and Y. K. Chen, “Optimum configuration and design of L-band Erbiumdoped superfluorescent fiber source,” sumitted to Optics Communications, 2000.. 29.

(40) 表 1.1 ASE 光纖光源特性對其應用系統所產生的影響. ASE 光源的應用和低同調光反射光纖陀螺儀頻譜分割光源特性測量儀輸出功率信號雜訊比動態範圍信號雜訊比 (Output Power, Pout ). 平均波長 (Mean Wavelength, λ m). 頻譜線寬 (Spectral Linewidth, ∆λ). 平坦度 (Flatness, ∆P). 精確度. -. -. 同調誤差. 空間解析度. 波道數. -. -. 波道數. 30.

(41) 表 3.1 HighWave Optical Technologies ER741 摻鉺光纖的特性規格. l Optical specifications Absorption coefficient 7 ± 1dB/m 3 ± 0.3dB/m 4.5 ± 0.5dB/m <10dB/km 1000 ± 50nm. At 1532nm At 1480nm At 980nm Background Loss at 1200nm Fiber Cut-off Wavelength ëc. Mode Field Diameter 3.2 ± 1µm 5 ± 0.3µm. At 980nm At 1550nm. l Geometric specifications Outside Cladding Diameter Coating Diameter Core Diameter. 125.0µm ± 1µm 245µm ± 10µm 3 ± 0.2µm. l Performance characterization 0.29 ± 0.03. Numerical Aperture. 31.

(42) 表 3.2 ASE 光纖光源各架構在最佳條件下的光源特性. Forward Pumping. Backward Pumping. Configurations. SPF. DPF, 4%. DPF, 8%. DPF, 80%. SPB. DPB, 4%. DPB, 80%. Pout (mW). 0.1. 11.3. 13.8. 11.0. 28.8. 28.8. 28.9. λ m (nm). 1604.7 1582.8 1585.7 1593.8 1559.6 1559.6 1559.6. ∆λ (nm). 38.3. 39.1. 40.9. 33.7. 24.4. 24.4. 24.5. η (%). 0.1. 11.3. 13.8. 13.8. 28.8. 28.8. 28.9. 32.

(43) 表 3.3 C-band 和 L-band 的 ASE 光纖光源的特性比較 Configurations C-band DPF＊1. DPB＊1. DPB＊2. DPF＊1. Fiber mirror reflectance (%). 95. 95. 90. 8. Optimal EDF length (m). 23. 20. 12. 100. Pump wavelength (nm). 980. 980. 980. 1480. Pump power (mW). 160. 160. 80. 100. Output Power (mW). 36.1. 35.3. 21.5. 13.8. Pump conversion efficiency (%) 22.6. 22.1. 26.9. 13.8. Linewidth (nm). 34.4. 33.9. 24. 40.9. Ripple, ∆P/2 (dB). 3.2. 3.0. NA. 0.6. Reference. 47. 47. 49. Characteristics. ＊1 ＊2. L-band. Experimental data Simulated data. 33. This Work.

(44) ω R Pi. Ωτ. ω Ω. 圖 1.1 轉動的圓形環狀干涉儀. DUT. Isolator. Optical Source. Coupler Detector. Mirror. 圖 1.2 低同調光反射測量儀的基本架構. 34.

(45) WDM DEMUX. WDM MUX. Broadband Light Source. Mod. 圖 1.3 頻譜分割光源的基本架構. 35.

(46) Input. Isolator 1. Isolator 2 Output. WDM #1. x. x. EDF. Pump LD. WDM #2 Pump LD. 圖 2.1 典型的摻鉺光纖放大器之架構圖. 圖 2.2 Er3+離子的部分能階圖. 36.

(47) 圖 2.3 1.58-µm 波段之放大原理說明. 37.

(48) Angle Cleave WDM. Pump LD. ISO.. Pout. WDM. EDF. EDF. (a). (c). WDM. Mirror. Angle Cleave. ISO. EDF. Mirror. (b). (d) 圖 2.4 ASE 光纖光源的基本架構 (a) SPF. (b) DPF (c) SPB (d) DPB. 38. ISO.. EDF. Pump LD. Pout. Pump LD. WDM. Pout. ISO.. Pump LD. Pout.

(49) Power (dBm). ΔP. Wavelength 圖 2.5 在光源頻譜上，功率密度變化量ΔP 的定義. 39.

(50) Mirror SPF DPF. 0% 4%. WSC. 8% 80 % Reflectivity. ISO.. Pout. EDF. Pump LD. (a) 前向幫激架構. Mirror SPB DPB. 0% 4% 80 % Reflectivity. WSC. ISO.. EDF. Pump LD. (b) 後向幫激架構圖 3.1 ASE 光纖光源的實驗架構. 40. Pout.

(51) Optical Power (dBm). -10 -20 -30 -40 -50 -60 1450. 1460. 1470. 1480. 1490. 1500. Wavelength (nm). 圖 3.2 幫激雷射的頻譜. Insertion Loss of Coupler (dB). 30 Port 2. Port 1. 25 Port 3. 20 Port 1 to Port 2. 15. Port 1 to Port 3. 10 5 0 1440. 1490. 1540. 1590. Wavelength (nm). 圖 3.3 1480/1580 nm 波長選擇耦合器的插入損失頻譜. 41. 1640.

(52) Insertion Loss of Isolator (dB). 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1500. 1520. 1540. 1560. 1580. 1600. Wavelength (nm). 圖 3.4 光隔離器的插入損失頻譜. Insertion Loss of Fiber Mirror (dB). 5 4 3 2 1 0 1450. 1500. 1550. 1600. Wavelength (nm). 圖 3.5 光纖反射鏡的插入損失頻譜 42. 1650.

(53) 20. Output Power (mW). 18 16 14 12 10 8. SPF. DPF, 4%. 6. DPF, 80%. SPB. 4. DPB, 4%. DPB, 80%. 2 0 40. 60. 80 100 Length (nm). 120. 140. 圖 3.6 光源輸出功率對光纖長度的關係. 60. Linewidth (nm). 50. SPF. DPF, 4%. DPF, 80%. SPB. DPB, 4%. DPB, 80%. 40 30 20 10 40. 60. 80 100 Length (m). 120. 圖 3.7 光源線寬對光纖長度的關係. 43. 140.

(54) Mean Wavelength (nm). 1610 SPF DPF, 4% DPF, 80% SPB DPB, 4% DPB, 80%. 1600 1590 1580 1570 1560 1550 40. 60. 80 100 Length (m). 120. 140. 圖 3.8 光源平均波長對光纖長度的關係. 35 SPF DPF, DPF, DPF, SPB DPB, DPB,. Output Power (mW). 30 25 20. 4% 8% 80% 4% 80%. 15 10 5 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. Pump Power (mW). 圖 3.9 ASE 光源輸出功率對幫激功率的關係. 44. 120.

(55) Optical Power (dBm). 0 -10 -20 -30 SPB. -40. DPB, 4% DPB, 80%. -50 1510. 1530. 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.10 後向幫激架構 ASE 光源在 100 mW 幫激功率時的光源輸出頻譜. 0. Optical Power (dBm). DPF, 8%. -10 DPF, 4%. DPF, 80%. -20 -30 -40. SPF. -50 -60 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.11 前向幫激架構 ASE 光源的輸出頻譜。(SPF、DPF, 4%和 DPF, 8% 在幫激功率 100 mW 時，DPF, 80%在 80 mW 時). 45.

(56) Optical Power (dBm). 0 -10 -20 -30 -40 -50 1510. 1530. 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.12 SPB 架構 ASE 光源在各種幫激功率的頻譜，曲線由上而下分別為在幫激功率 100, 80, 60, 40, 20 mW 時的頻譜. 1625 Mean Wavelength (nm). 1615 1605 1595 1585 SPF DPF, 8% SPB DPB, 80%. 1575 1565. DPF, 4% DPF, 80% DPB, 4%. 1555 1545 0. 20. 40. 60. 80. 100. Pump Power (mW). 圖 3.13 ASE 光源平均波長對幫激功率的關係. 46. 120.

(57) 50 SPF DPF, 8% SPB DPB, 80%. Linewidth (nm). 45. DPF, 4% DPF, 80% DPB, 4%. 40 35 30 25 20 0. 20. 40 60 80 Pump Power (mW). 100. 120. 圖 3.14 ASE 光源線寬對幫激功率的關係. Optical Power (dBm). -40. -50. -60. -70 1560. 1580. 1600. 1620. 1640. Wavelength (nm). 圖 3.15 SPF 架構 ASE 光源在各種幫激功率的頻譜，曲線由上而下分別為在幫激功率 100, 80, 60, 40, 20 mW 時的頻譜. 47.

(58) Optical Power (dBm). -10 -20 -30 -40 -50 -60 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.16 DPF 架構反射量 4%時，ASE 光源在各種幫激功率的頻譜，曲線由上而下分別為在幫激功率 100, 80, 60, 40 mW 時的頻譜. Optical Power (dBm). -10 -20 -30 -40 -50 -60 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.17 DPF 架構反射量 80%時，ASE 光源在各種幫激功率的頻譜，曲線由上而下分別為在幫激功率 80, 60, 40, 20 mW 時的頻譜 48.

(59) Optical Power (dBm). -10 -20 -30 -40 -50 -60 1550. 1570. 1590. 1610. 1630. Wavelength (nm). 圖 3.18 DPF 架構反射量 8%時，ASE 光源在各種幫激功率的頻譜，曲線由上而下分別為在幫激功率 100, 80, 60, 40 mW 時的頻譜. 49.

(60)