拉曼光放大之光纖有線電視傳輸技術之研究

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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. 拉曼光放大之光纖有線電視傳輸技術之研究 Fiber Raman Amplified Lightwave CATV Transmission Technique. 研究生 : 湯家鴻撰. 中華民國九十一年六月.

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(4) 誌. 謝. （Acknowledgments）本論文得以順利的完成，首先得感謝我的恩師陳教授永光博士這兩年來的悉心指導與教誨，帶領著原本懵懂的我一窺這豐富的光纖通信的領域，在平時的生活與處世的態度中更給予我時時關懷與鼓勵。同時也讓我有機會見識到國家級的實驗室—中華電信研究所。為使學生的論文能更加完善，老師並於撰稿初成時逐字詳閱斧正。師恩浩瀚，永銘於心，謹誌卷首，由衷致謝！在中華電信研究所之研究期間感謝網路維護研究室的王志益先生、吳嘉憲先生、王井煦先生、林勝福先生、陳慶賢先生在實驗儀器上的支援與協助，學生在此至上最誠摯的感謝。感謝海洋科技大學的梁教授财春博士對於儀器上的慷慨借用！在學期間，感謝學長張嘉雄、蔡賜琦、莊閔旭，同學洪詩蕾、蔡宗鑑、糜漢萍等人在實驗上的幫助。以及朋友廖婉君等人在我不如意時給予我的關懷與鼓勵與豐富我的生活，在此一併致上真誠的感謝。最後，將我的論文獻給支持我一路走來辛苦的爸爸湯敏雄、媽媽范英妹還有我那長得可愛的妹妹湯梅芳，因為有了他們的支持讓我得以順利完成學業，希望藉著這一份感謝來表達曾經愛護我、關心我的人，謝謝你(妳)們！湯家鴻謹誌于中山大學光纖通信實驗室 2002.. I.

(5) 中. 文. 摘. 要. 由於分佈式拉曼光纖放大器在數位光纖通信系統日益受到重視，其發展技術也日趨成熟，但在類比光纖有線電視(CATV)系統中卻尚未見討論，因此在本論文中，我們首先探討拉曼放大器在類比光纖有線電視上之特性以及可行性。研究中，首先利用 4 顆波長為 1460 nm、1470 nm、1480 nm、1490 nm 的半導體雷射作為拉曼放大器的幫激雷射，我們發現，當使用拉曼光纖放大器於 CATV 系統中時，經過 25km LEAF (Large Effect Area Fiber) 光纖傳輸，其 CNR (Carrier-to-noise Ratio) 約為 46.4~49.5 dB，相較於 B-B (Back-to-Back) 的架構中約有 1~2dB 的劣化，相較於僅僅使用摻鉺光纖放大器放大信號的系統架構中也有劣化約 1~1.5 dB，推究使用拉曼放大器造成 CNR 劣化之主要原因為幫激雷射在光纖中所產生的拉曼自發性輻射與信號本身的光源自發性輻射(Source Spontaneous Emission, SSE )效應所累積之雜訊所致，我們利用關掉影響信號雜訊最大的幫激雷射 ( 1460 nm )之功率以降低其信號處之雜訊，發現其 CNR 約有了 0.5~1.0 dB 的改善，驗證了幫激雷射所造成系統上 CNR 之劣化。在長距離 80km 的傳輸上，CNR 也因為摻鉺光纖放大器產生的放大自發性輻射(ASE)經過光帶通濾波器所殘餘的雜訊以及分佈式拉曼放大器產生的拉曼自發性輻射與信號本身的光源自發性輻射 ( Source Spontaneous Emission, SSE )相互所累積的雜訊而造成此系統中 CNR 而有嚴重之劣化(CNR：45.2~47.3 dB)。本研究結果發現分佈式拉曼光纖放大器在於類比之 CATV 系統上並不可行，原因為它所產生的拉曼自發性輻射與信號本身的光源自發性輻射所產生的雜訊將嚴重劣化系統之 CNR 值。這樣的結果，將可提供未來探討拉曼放大器應用於類比光纖有線電視設計所會產生之問題作為參考。. II.

(6) Fiber Raman Amplified Lightwave CATV Transmission Technique Student: Chia-Hong Tang. Advisor: Dr. Yung-Kuang Chen. Institute of Electro-optical Engineering National Sun Yat-Sen University. Abstract In this paper, we build up the DRA (Distributed Raman Amplifier) by using four pump LDs (1460nm, 1470nm, 1480nm, 1490nm) with 25km LEAF (Large Effect Area Fiber) to transmission and compared the performance with system that just have EDFA. For the long distant system, we use EDFA and DRA to transmit 80km LEAF. In order to increase the system power budget it is necessary to use the two optical amplifiers in the same time. For the experimental results, we find that use the Raman amplifier with 25km LEAF may have degradations of CNR, CSO, CTB with 1~2 dB, 2 dB and 2~3 dB compared to Back-to-Back configuration, consider the reasons for the CSO and CTB degradations are due to the fiber dispersion and nonlinearly effect (SPM) in transmission process, and the pumps generate the high Raman spontaneous emission and source spontaneous emission are the main reasons to degrade CNR. We try to find the pump laser which effects signal noise largest (1460 nm LD) and turned off it, then CNR have about 0.5~1.0 dB improved. In the long distant transmission pass through 80km LEAF, the performances of CNR, CSO, CTB have serious decay. Because of the ASE generated from EDFA and Raman spontaneous emission and source spontaneous emission generated form Raman amplifier accumulate each other to made the CNR decay. For the long distance fiber dispersion and fiber nonlinear effect (SPM) also made CSO, CTB have degradations in the system, the CNR is about 45.2~47.3 dB, CSO is about 72.3~75.9 dBc , CTB is about 67.4~71 dBc. For this result, we know that DRA is not suitable applied in analog CATV system for the serious degradation of CNR. The study may give a reference to discuss Raman amplifier in the analog CATV system in the future.. III.

(7) 內容目錄頁次誌謝…………………………………………………………………Ⅰ 中文摘要……………………………………………………………Ⅱ 英文摘要……………………………………………………………Ⅲ 內容目錄……………………………………………………………Ⅳ 附圖目錄……………………………………………………………Ⅴ 附表目錄……………………………………………………………Ⅶ 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 第二章基本原理簡介……………………………………………..3 2.1 有線電視之量測參數定義……………………………….3 2.2 摻鉺光纖放大器的基本原理…………………………….6 2.3 分佈式拉曼光纖放大器之基本原理…………………….10 2.4 拉曼幫激雷射功率合波器……………………………….14 第三章拉曼光放大之有線電視系統實驗………………………..15 3.1 量測系統架構…………………………………………….15 3.2 實驗結果………………………………………………….17 3.3 討論……………………………………………………….19 第四章. 結論………………………………………………………20. 參考文獻……………………………………………………………21 附表…………………………………………………………………23 附圖…………………………………………………………………26. IV.

(8) 附圖目錄頁次圖 2-1 CNR 的分佈與量測圖………………………………………26 圖 2.2 CSO 對不同頻率時之分佈情形…………….……………...26 圖 2.3 CTB 對不同頻率時之分佈情形…………………………….27 圖 2-4 CSO 的分佈與量測………………………………………....27 圖 2-5 CTB 的分佈與量測………………………………………....28 圖 2-6 摻鉺光纖放大器(EDFA)之基本架構…………………..…..28 圖 2-7 鉺離子(E3+)的能階分佈………………………………..…...29 圖 2-8 自發性拉曼散射能階分佈變化情形………………..……...30 圖 2-9 激發性拉曼散射能階變化………………………..………...29 圖 2-10 拉曼增益頻譜…..…..……………………………..………...31 圖 2-11 不同幫激功率下使用不同入射信號功率之增益變化情形 31 圖 3-1 Back-to-Back 架構圖…………………………………….....32 圖 3-2 摻鉺光纖放大器頻譜圖………….…………………………32 圖 3-3 EDFA+25km LEAF 架構圖….……..…………………….…33 圖 3-4 25km LEAF Raman amplifier 架構圖…………..……….….33 圖 3-5 1×8 分波解多工器( DMUX ) Ch2 頻譜圖…..….…………..34 圖 3-6 25 km SMF Raman amplifier 架構圖....………………….....34 圖 3-7 25km LEAF 光纖拉曼增益量測頻譜(9.25 dB)………….....35 圖 3-8 EDFA+80km LEAF Raman amplifier 架構圖……………...36 圖 3-9 經過 EDFA 放大與 25km LEAF 光纖傳輸頻譜 (a)span : 20 nm (b) span : 100 nm………………………….37 圖 3-10 25km LEAF 光纖拉曼放大器在 DMUX 輸入/出端頻譜 (a) DMUX 輸入端 (b) DMUX 輸出端……………………38 圖 3-11 發射機輸出端加有/未加隔離器之性能比較…………..…..39 V.

(9) 頁次圖 3-12 拉曼放大器下 SMF/LEAF 光纖之系統性能比較…………39 圖 3-13 幫激雷射所產生之拉曼自發性輻射頻譜圖……………….40 圖 3-14 各幫激雷射在信號波長處之雜訊影響(DMUX 輸出端)….40 圖 3-15 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖(average mode)....41 圖 3-16 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖(real time mode)...42 圖 3-17 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖(Max & hold mode) ……………………………………………………....43 圖 3-18 各架構之 CNR 比較……………………………………..…44 圖 3-19 各架構之 CSO 比較………………………………………...45 圖 3-20 各架構之 CTB 比較……………………………………..….46. VI.

(10) 附表目錄頁次表 2-1 摻鉺光纖放大器(EDFA)與拉曼放大器(DRA)之比較……...23 表 2-2 拉曼幫激雷射合波器之生產廠商與規格…………………...24 表 3-1 Ortel 光發射機(Transmitter)(型號：Model 3960A)特性表.....25. VII.

(11) 第一章. 簡介. 1.1 研究背景有線電視是源於社區的共同天線電視(CATV)，其提供許多的娛樂與遠距教學甚至視訊會議等服務。經過多年的研究與技術改進已由早期的同軸電纜網路，逐漸演變成混合同軸光纖網路( HFC )系統，甚至不久將來的光纖到家( FTTH )。由於混合同軸光纖網路的寬頻需求日益殷切，因此在 HFC 網路的相關設備之性能要求也將愈大。自從 1990 年代的初期，摻鉺光纖放大器被用於類比視訊網路後，其在於傳輸的容量尚有了極遽的躍進，也由於摻鉺光纖放大器具有直接光放大與高增益、低失真和寬頻帶及低雜訊之優點下，可用於較長距離之傳輸，因此用於光纖網路系統已取代中繼器之使用。而多年來關於摻鉺光纖放大器用於有線電視系統中已被研究多年，相關研究之報導也已不少，例如：利用外部調變發射機來解決對於單波長傳輸時所產生的自我相位調變現象( SPM )及利用擾動( dithering )發射機雷射頻率來提高布里昂散射效應之臨界功率以抑制由放大器產生的高功率光訊號在光纖產生的布里昂散射效應( SBS )[1]。也尚有使用光多工器/解多工器( MUX/DMUX )或是光的濾波器來過濾放大器所產生之自發性輻射引起的雜訊值，提高系統中的視訊品質因素 CNR 值[2]。或甚至利用串接多個放大器來延長傳輸距離[3]與使用色散補償光纖或 LEAF 光纖來改善所劣化的品質因素 CSO/CTB[4]。對於頻寬的需求量一日千里的今日，需找尋更有效、更快速的傳輸方式，而光放大器在其中扮演著極其重要的角色。近來所積極發展研究的拉曼放大器也已被嘗試應用在數位光纖通信網路傳輸上及探討其所產生的現象[5][6][7]，且其發展技術也日益成熟。對於類比的 CATV 系統中有許多文獻討論過拉曼散射( SRS )在系統中的影響[8]與如何利用拉曼放大的機制來抑制在混合光纖網路( HFC )中的光纖非線性效應 [9]。對於拉曼放大器應用於類比的 CATV 系統中，我們正積極謀求 1.

(12) 其更適合之道，以促其 HFC 產業持續的進步與發展。 1.2 研究動機由於拉曼放大器相對於摻鉺光纖放大器而言，具有下列幾個優點：寬的增益頻帶、其增益頻帶隨幫激雷射之波長不同而改變、具有非常低的放大自發性輻射( ASE )所產生的雜訊、其增益介質只需要一般的傳輸光纖，不需特殊光纖。因此本論文是以研究 NTSC 標準載波信號產生器( NTSC Matrix Generator )80 個頻道的訊號，利用外調之發射機將信號經由拉曼光放大器放大信號傳輸之可行性。過去的文獻中對於拉曼放大器大部分都是在數位的光纖通信系統中被討論，雖然也有過文獻討論拉曼效應( SRS )在類比 CATV 系統中的影響以及在 CATV 系統中利用環狀式拉曼放大器放大 1.3μm 波長的信號之性能，然而討論的文獻仍不多，且仍未有文獻討論到 1.5 μm 波長拉曼放大器使用在類比視訊網路上的情況與其品質因素 ( CNR/CSO/CTB )作討論。因為拉曼放大器具有眾多有別於 EDFA 之優點，故本論文討論拉曼放大器在類比視訊網路中之影響與對系統品質因素的情形，同時也比較摻鉺光纖放大器與拉曼放大器在系統上傳輸性能優劣，以評估拉曼放大器在類比視訊網路系統中應用的可行性。 1.3 論文結構本論文共分為四章，第一章簡介(本章)，為介紹研究背景、研究動機和論文結構。第二章是基本原理的簡介，包括類比光纖有線電視的量測參數定義及其量測方式、摻鉺光纖放大器( EDFA )的基本原理介紹、分佈式拉曼光放大器的基本原理介紹。第三章為實驗主體之介紹，包括拉曼放大器的組裝、以及各使用元件之參數和拉曼放大器在系統上運作之性能情形。第四章是為本論文之結論。. 2.

(13) 第二章基本原理簡介在本章中，將先對類比光纖有線電視( CATV )之視訊品質因素 ( CNR/CSO/CTB )作一定義並介紹量測的方式，再對所用到的摻鉺光纖放大器以及拉曼放大器作其基本原理與架構、特性之介紹。最後，介紹可結合不同波長的高功率幫激雷射的拉曼幫激雷射合波器 ( Raman Pump Laser Combiner )之基本規格與參數。 2.1 有線電視之量測參數定義[10][11] 2.2.1 載波-雜訊比( CNR )的基本定義及其量測方式：載波雜訊比( Carrier-to-Noise Ratio, CNR )在意義上與數位光纖通信系統中之訊號雜訊比( Signal-to-Noise Ratio, SNR )相同，而一般在調變的有線電視系統中都是以載波雜訊比的量測來代替訊號雜訊比。(一般訊號雜訊比較載波雜訊比約低 6.8 dB)。雜訊的產生主要來自光發射機、光纖傳輸系統和光接收機三部份。1)光發射機的雜訊主要是相對強度雜訊，其與雷射的偏壓電流與載波頻率有關，對於類比系統而言，一般都使用線性度較高之半導體雷射，且其鬆弛震盪頻率均需遠大於載波之頻率。2)光纖傳輸系統中主要的雜訊來自於光纖的非線性效應，如：雷利散射效應( Rayleigh backscattering effect )、布里昂效應( SBS )、自我相位調變( Self Phase Modulation, SPM )….等，以及參鉺光纖放大器中所產生之放大自發性輻射( ASE )雜訊。3)接收機的雜訊主要為量子雜訊、熱雜訊與較微小之暗電流雜訊，這些雜訊最主要是在光電轉換過程中與電子間熱交互作用所產生。因此對於載波雜訊比可以用下列之式子表示之：. CNR =. − m2I2  2BN +N +N +N + Nsspp + N  MPI thermal shot laser phase . 3. (2.1).

(14) 其中：. B：為接收機頻寬 m：為光調變指數 Nthermal、Nshot：是由接收機所產生的雜訊 Nlaser ：為雷射本身的相對強度雜訊( RIN ) Nsspp ：為 EDFA 所產生之雜訊 Nphase、NMPI：是由訊號在光纖中所產生之非線性效應的雜訊. 一般量測載波雜訊比是以量測影像載波右側 4 MHz 範圍之平均雜訊與影像載波之比較值，如圖 2.1 所示。對於用戶端 CNR 之要求，一般皆須≧43dB。. 2.1.2 載波二次/三次合成拍差比( CSO/ CTB )之定義及其量測方式：二次 / 三次合成拍差的失真效應主要是由於放大器的非線性效應、放大器串接的累積效應所產生除輸入信號以外之混信. (Spurious)。而其它的影響原因，例如：光纖中的非線性效應所產生的自我相位調變( SPM )以及光接收機中的放大電路的非線性效應也同樣會造成拍差的劣化。當信號位準越高、頻道數目越多，放大器失真便越嚴重。若我們考慮的非線性函數如下：. ν 0 = κ1ν1 + κ 2 ν12 + κ 3 ν13. (2.2). 假設輸入νi 有三個載波. νi = a1cos(2πf1t) + a 2cos(2πf 2 t) + a 3cos(2πf 3t). (2.3). 則代入 νo，即可得到 f1 , f2 , f3 為我們所需的輸出信號，並且會有 2f1 ,. 2f2 , 2f3 的二次諧波失真、3f1 , 3 f2 , 3f3 三次諧波失真、f1±f2 , f1±f3, f2±f3 的二種頻率的拍差以及 f1±f2±f3 的三種頻率的拍差和 a1a2cos(2πf1t)… 的串調變。 4.

(15) 頻道數的多寡會影響二次與三次諧波的互調的成分數目，而且不同的頻道規劃也會影響成分數目，其中同頻道內的三次諧波和互調的成分數目，遠超過二次諧波和互調的成分數目；在 NTSC 的頻道規劃時，80 頻道在同頻道內的三次諧波和互調的成分可能高達千個，而二次諧波和互調的成分僅為 70 個左右。由於一般輸入光發射機的各射頻載波的功率位準都相等，我們可以假設各頻道的光調變深度相同，所以各諧波和互調的成分亦有相等的功率，並可推算合成二次與三次拍差比的數值。在 NTSC 的 80 個頻道中，合成的二次與三次拍差比的成分數目大約可以圖 2.2、2.3 來表示，合成二次拍差比的成分數目分別於高、低頻時較高，高頻段由 A＋B 為主要型式，低頻段由. A－B 為主要型式，而低頻段的峰值較高頻段多，且將近 70 個。合成三次拍差比的成分數目分別於 100~200 MHz、200~300 MHz、400~500. MHz 和 500~550 MHz 有四個峰值，其中以 500~550 MHz 頻段近千個成分數目最多。且在頻道數大於 7 時，A－B 型式的成分數目為合成二次拍差比的主要決定成分數目，A＋B－C 型式的成分數目為合成三次拍差比的主要決定成分數目(其中 A,B,C 為任意射頻訊號)。由於二次合成拍差( CSO )是兩波道影像載波頻率 f1、f2 之和或差(f1±f2)，或二次諧波 2f1、2f2 對其它頻道影像載波頻率產生±0.75MHz 及±1.25MHz 之干擾，如圖 2.4 所示，所以在量測時，因為對頻道影響較多的為影像載波右邊的拍差部分，故一般在量取影像載波以右邊的 0.75MHz 以及 1.25MHz 的位置之拍差大小。圖 2.4 為合成二次拍差之分佈與量測範圍。對於三次拍差( CTB )，它是由兩個或三個不同波道頻率彼此相加或相減以及其它三次諧波等，造成對另一波道載波的直接干擾(f1±f2±. f3，2f1±f2，3 f1 等造成之干擾)，因為三次拍差都恰好落在影像載波之正下方，圖 2.5 所示，故一般在量測三次拍差時，皆須把載波關掉，以量取位於影像載波正下方位置之拍差成分。. 5.

(16) 2.2 摻鉺光纖放大器( EDFA )的基本原理[12][13]：. 2.2.1 基本原理及其架構：摻鉺光纖放大器包括幫激( Pump )和增益介質( Gain Medium )兩大部分，對於其增益介質(也就是摻鉺光纖)是把稀土族元素的鉺(Er3+) 離子摻雜在光纖的核心中，因為幫激光源會將鉺離子從基態激發躍遷至高能階，形成存活時間約 10ms 的居量反轉效應，當信號光打入摻鉺光纖時，與激發之鉺離子而引起激發輻射( stimulated emission )，產生與入射光同相位、同方向的光子，因此可實現高效率、高輸出功率與高增益的光放大器。而對於沒能發生激發輻射的激態電子會以自發性輻射( spontaneous emission )由高能階掉回較低之能階，形成相位與方向都不定的放大後自發性輻射 ( Amplified Spontaneous Emission,. ASE )成為摻鉺光纖放大器在傳輸中的最主要雜訊。也由於基材為氧化矽 (SiO2) 與單模光纖的材料相同，故已廣泛使用於光纖元件的整合。同時，也尚有將鋁離子、銩離子等不同的離子摻入氧化矽中，由於離子摻入非晶質的氧化矽，故可用來達到較寬頻化的效果。圖 2.6 為摻鉺光纖放大器的最基本架構圖，包含幫激光源、摻鉺光纖和分波多工器( WDM )等的被動元件。. 2.2.2 幫激光源與其幫激型式對於摻鉺光纖放大器所用的幫激雷射，一般其波長為 980 nm 和. 1480 nm 的半導體雷射。980 nm 波長的幫激方式可以用三階能階的系統來表示之(如圖 2.7)，鉺離子被激發至 4I11/2 能階隨後很快的(~2μS) 掉到較穩態的 4I13/2 能階，因此使用 980 nm 波長的幫激雷射可以維持高居量反轉，並且有較低雜訊的特性。由於摻鉺光纖在 980 nm 的吸收波段較窄，所以 980 nm 的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。 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 6.

(17) 上，通常使用二階能階系統來表示之。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)有很好的量子轉換效率；(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。摻鉺光纖放大器的幫激方式一般包括下列三種：前向幫激、後向幫激以及雙向幫激。雙向幫激的目的是為同時獲得高增益、高輸出功率及低雜訊指數，一般將它作為雷射信號光源之後的光功率放大器. ( Power Amplifier )，提供高增益以提昇雷射信號光源的強度。若將雙向幫激的結構中，靠近輸出端的激發光源和分波多工器( WDM )移除，就形成前向幫激結構，由於前向幫激結構具有較低的雜訊指數的特性，因此通常作為光接收機前的前置放大器( Pre-Amplifier )，提供增益與低雜訊，以增加光接收機的靈敏度。若將雙向幫激的結構中，接近輸入端的激發光源和分波多工器( WDM )移除，就形成後向幫激結構，由於後向幫激結構具有高輸出功率的特性，因此一般用在雷射信號光源之後的功率放大器( Power Amplifier )，提供高增益以增加雷射功率的強度，但卻會帶來較大的雜訊指數。. 2.2.3 摻鉺光纖的增益及頻譜特性當幫激功率超過特定幫激的臨界功率(Pth)時，光放大器的放大增益頻譜( Amplifier Gain Spectrum )從吸收狀態轉為增益狀態，這時光放大器才能提供光增益給光信號，而且增益隨著幫激功率的增加而增加，此關係定義為增益效率係數( dB/mW )。將鉺離子集中在幫激光強度高的區域，所以一般採用高數值孔徑(NA)、細徑及高中心摻鉺光纖，將可提升增益效率。對一固定幫激功率而言，當摻鉺光纖超過最佳的長度時，增益沒有增加反而降低，這是因為幫激功率有限時，只能提供特定數量的鉺離子，在無法使剩餘鉺離子處於居量反轉狀態時，這段過長的摻鉺光纖基本上是一個吸收體，因此吸收大量幫激功率，降低摻鉺光纖增益。摻鉺光纖的放大作用是由光信號激發鉺離子產生激發輻射，輸出 7.

(18) 相同於光信號的波長，但有部分鉺離子會因外界的擾動自行掉下來形成放大自發性輻射雜訊( ASE )，從頻譜上看 ASE 的頻寬，對一般的. C-頻帶的摻鉺光纖放大器而言，約從 1530 nm 到 1560 nm，ASE 會在 1532 nm 左右波段形成一增益尖峰( Peak )，由於增益的不平坦，造成放大信號的失真，一般可加入鋁離子讓其較為平坦化。使用摻鉺光纖放大器時，輸入光信號功率太大時，居量反轉的鉺離子之高能階電子消耗過多，破壞居量反轉的分佈，使得在進入的光訊號便無法獲得放大，因此光訊號增益下降，此時放大器發生飽和現象。根據飽和特性，輸入光脈衝信號會比輸入連續的光波(CW)容易避免增益飽和，因此可以得到較高的增益值。. 2.2.4 摻鉺光纖放大器的雜訊指數所有光放大器劣化放大器的信號雜訊比(S/N)的原因，是因為在放大過程中的自發性輻射( Spontaneous Emission )耦合到信號所造成的。而光放大器的雜訊指數定義成：. Fn =. (SNR). in. (2.4). (SNR) out. 輸入信號的信號雜訊比：. (SNR )in.  RP   in  . 2 = ⟨ I⟩ 2 = σs 2q  RP. . in.   . 2 2. = ∆f. P in 2h ν ∆ f. (2.5). 其中＜I＞＝RPin 為平均光電流. R＝q/hν為光偵測器的響應度 Δf ：為光偵測器的頻寬 σs2 ：為全部的散彈雜訊( Shot Noise )，此暗電流設定為零 8.

(19) ν：為光的頻率(Hz) h ：為浦朗克常數(6.626×10-34J．S). 輸出信號的訊號雜訊比：. (SNR )out = ⟨ I⟩2 = σ 2.  RGP  . in. σ2.   . 2. GP in = 4S sp ∆f. (2.6). 其中：G 為放大因子(Pin/Pout)且須大於 1. Ssp 為自發性輻射引起雜訊的頻譜密度 σ2 為全部的雜訊總和，包含散彈雜訊及信號自發性輻射差而式中 Ssp(ν)＝( G-1 )nsphν σ2＝2q( RGPin )Δf+4( RGPin )( RSsp )Δf. nsp：為居量反轉因子所以光放大器的雜訊指數. Fn =. 2n sp (G − 1) G. ≈ 2n sp. (2.7). 上式顯示對理想光放大器當 nsp＝1 時，放大信號的訊號雜訊比約被劣化 2 倍因子(或 3 dB)；對大部分的商用放大器而言，雜訊指數都超過. 3 dB 且大到 6~8 dB，對光通信系統而言，光放大器則需要越低的雜訊指數越好。 2.3 分佈式拉曼放大器( Distributed Raman Amplifier )的基本原理當光照射在物質上，入射光會和物質之晶格發生交互作用，以量子的觀點而言，入射光子的能量若與物質的能階差吻合時，光子則會 9.

(20) 被吸收，而物質離子將因為吸收了能量變成激態，隨後又以極迅速的時間輻射出與入射光子頻率相同的光子，然而物質又回復到穩定態，這個過程就稱為散射( scattering )，對於激發性拉曼散射而言是發生在光纖中的非線性效應。在 1904 年 R.W. Wood 首先觀察到稀薄氣體的散射作用，由於散射光與入射光的頻率或能量相同，因此又稱共振輻射( resonance radiation )或彈性散射( elastic scattering )。但假如一單色光照射在物質上而發生散射時，將不只觀察到相同頻率的散射光，而且還會有極少部分其它頻率的散射光，此少部分的散射稱為非彈性散射( inelastic scattering )，在此僅討論拉曼散射( SRS )。. 2.3.1 自發性拉曼散射( Spontaneous Raman Scattering )[14][15] 自發性拉曼散射是 1923 年由 Adolf Smekal 所預測，並於 1928 年由加爾答大學的教授 C.V. Raman 爵士在實驗中觀察到。其機制如圖 2.8 所示，假設剛開始有一分子震動能態( vibrational state )為<b>，在吸收一能階為 h ν i 的光子後，躍遷到一中間態 ( Intermediate. state )，而隨即作一史扥克遷移( Stokes transition )至能態< c >，並釋放出能量為 hνs 的光子( hνs＜hνi )，在能量守恆情況下：hνi－hν s＝hνcb，因此，此時分子是處於較能量高的狀態如圖. 2.8(a)所示，而. hνcb 為振動能，依據量子觀點可稱為聲子( Phonon )；反之，若遷移後處於較低能態，如圖 2.8(b)，則此時稱為反史扥克遷移( Anti-Stokes. transition )，而 hνs＞hνi，即光子 hνi 吸收一聲子能量 hνba 輻射出能量 hνs 的光子。. 2.3.2 激發拉曼散射( Stimulated Raman Scattering, SRS )[14][15] SRS 是 1962 年時，Eric J. Woodbury 和 Won K. Ng 於實驗時無意中所發現，他們將 694.3 nm 的光波照射在材料上，發現其中約由. 10℅偏移到 766.0 nm，其間頻率差為 40THz，是實驗材料硝基苯分子的振動能之一。圖 2.9 為 SRS 的示意圖，有兩個光子同時照在一個分子上，其中一個光子具有入射光的頻率νi，另一個則具散射光的頻 10.

(21) 率νs，這個分子吸收 hνi 的能量後，頻率νs 的光子會激發此分子輻射出同為νs 的光子，因此入射光會因失去一個光子 hνi 而能量下降，散射光則會得到一個光子 hνs 而增益放大，剩餘能量則會轉移到材料上而產生一史扥克位移的量，讓原本短波長的能量移位到長波長側。拉曼放大器便是利用此效應在光纖傳輸中所產生的非線性效應，在 1980 年代的中期，拉曼放大器已被研究出來，它是由於當一幫激功率大過一臨界值功率( 0.5 W~1.0 W )於光纖中時，由於與晶格中分子產生交互作用，讓晶格內之分子激發至高能階，而後又與入射之信號光波相互激發放大成相同頻率的光放大信號，而其餘的能量產生一史扥克位移量，大約為 13.2 THz (約 105 nm)，相間隔於幫激波長和放大後信號波長間，如圖 2.10 所示。因此，拉曼放大的增益波段隨著其幫激波長而改變，對一單幫激光源而言，其有效增益頻寬大約 20~30 nm，也因為其增益頻段隨幫激波長而變，所以對於光纖通信而言，猶如一個增益頻段可調式的光放大器，而不像摻鉺光纖放大器，放大區域僅僅侷限於一波段，對於 C-band 、L-band 甚至於 S-band 拉曼光放大器都可提供放大信號作用。過去，由於高功率的幫激雷射難以取得，因此限制了拉曼放大器的發展，而近幾年來，由於在技術上的突破，半導體雷射已可以提供很高的功率供以產生拉曼效應，再加上週邊元件也漸發展成可耐高功率的特性，拉曼放大器已倍受重視。對於其放大的增益介質是利用整段的傳輸光纖而不需要特殊的增益光纖(如摻鉺光纖, EDF)，也是其重要的優點。近來更有人利用光纖光柵與拉曼效應發展成拉曼光纖雷射( Raman Fiber Laser )來提供可調式的高功率幫激雷射[16]。表 2-1 為摻鉺光纖放大器和拉曼放大器的優缺點比較。. 2.3.3 拉曼放大器的增益及其頻譜效應[17] 在單模光纖中的拉曼增益係數 gR 是由 R. H. Stolen 及 E. P. Ippen 在 1973 年早期 SRS 實驗中所測量，gR 通常隨纖核的摻雜物質而稍有 11.

(22) 不同，通常為幫激光源及史扥克光波頻率差的函數，若幫激波長改變時，gR 值可藉由與波長成反比而得到。在 gR 的頻譜中，特別要注意的是，其涵蓋相當寬的範圍，約有 40 THz，主要原因與玻璃為非晶質有關，其 gR 最大值在頻率偏移約 13.2 THz 處，即在比幫激波長長約 105 nm 處。對於拉曼放大器的增益與頻譜與幫激光源的能量與波長有著相當大的關係，一般而言，其增益正比於幫激光源強度 Ip，即. g = g. R. Ip. (2.8). 其中：gR 為拉曼增益係數若以幫激的功率 Pp 來表示，則可寫成：. g (ω ) = g R (ω )(P p /a. p. ). (2.9). 其中：Pp 為幫激光源功率. ap 為幫激光源進入光纖的有效截面積拉曼放大器其增益頻譜在 FWHM 的有效增益頻帶寬約為. 6THz(約 50 nm)。拉曼放大器的增益是會因為降低幫激功率 Pp 會使其增益減少，而對同一長度的光纖而言，當幫激功率增加到一個強度時，增益便會到達一個飽和的值。對於在一放大器的光纖長度中，不同的幫激及信號功率可以以下列二式來表示：. dP s dz dP s. = − α s Ps + = −α sPp +. dz.   gR  Pp Ps   ap      ω   g  p  R P P  p s    ω  a  s  p  . (2.10). 其中：αs、αp 為在信號頻率ωs 與幫激頻率ωp 的光纖損耗對於小信號放大而言：. P p (z ) = P p (0 )exp (− α p z ). (2.11). 若經過一長度為 L 的光纖的放大，則其信號輸出的功率為： 12.

(23) P s (L ) = P s (0 )exp.    .  g R P o L eff − α s L  ap . (2.12). . 其中：Po＝Pp(0). Leff 為放大器的有效光纖長度若αpL ＞＞L 時，則. Leff = 1 αp. (2.13). 因此拉曼放大器的增益因子可表示為：. GA =. P s (L ) = exp (g o L ) P s (0 )exp (− α s L ). (2.14). 其中：go 為小訊號增益. go = g.   R   . Po ap.     . L eff L.    . (2.15). 若當αpL ＞＞1，則. go =. g R Po. (2.16). a pα pL. 對於αpL 很大時，則 GA 與長度無關。如圖 2.11，在幫激功率增加時，GA 會成指數性增加，但當幫激功率(P0)增加到 P0＞1W 時，由於增益飽和，而使增益開始隨著幫激功率的持續加大而漸漸變小，對於較強的信號功率而言，其飽和的情況也會較快。飽和放大增益 GS 可由下式表示之，若當αs＝αp 時，代入式 2.10 中可得到( ref. : G. May,. A. Solheim, and J. Conradi, IEEE Photon. Technol Lett. 6, 648(1994). ) :. Gs =. 1 + ro ro + G. A. − (1+ ro ). (2.17). 其中：r0＝(ωp/ωs)(Ps(0)/Pp(0))定義為信號與幫激光源在放大器輸入 13.

(24) 端的相對功率比。 2.4 拉曼幫激雷射合波器( Raman Pump Laser Combiner ) 對於一般摻鉺光纖放大器而言，幫激功率約在 300 mW 或甚至更低，而對於拉曼放大器而言，所需的幫激功率一般皆須超過 700. mW，有時更會超過 1 W 以上的大功率。在此高功率下，元件對高功率的承受與忍耐度上要求便很高，也因為拉曼放大器需要如此高的幫激功率，故常使用結合多個不同波長的幫激雷射來達到此高幫激功率，也讓拉曼增益頻譜更寬且增益更高。拉曼幫激雷射合波器( Raman. Pump Laser Combiner )便由此而生，它具有增加放大器功率、低的插入損失與高功率承受度等…..的優點。它的低插入損失與高功率的承受度都是影響幫激功率在拉曼放大時的增益轉換率。一般而言，其製造方式有用微光學及熔燒兩種方式。微光學的元件是使用一個薄膜濾波器( Thin Film Filter )將一個波長反射，而以另一波長傳送，並通常使用黏膠將光纖、較準光稜鏡. ( collimating lens )及濾波器固定住。使用微光學製造的拉曼幫激雷射合波器會由於污染而使得介面區域對高功率承受度下降。熔燒式光纖元件的拉曼幫激雷射合波器可同時結合兩個波長於輸出端輸出，它利用二波長於長熔燒區間中進行不同耦合作用，讓分開的不同波長造成不同型式的重疊，一起由輸出端輸出。熔燒式的拉曼幫激雷射合波器有較高的功率承受度，有實驗已經證明可有 6W 的功率承受度，且在. 3W 的高功率下，可持續 500 個小時，對於這兩種狀況下，其插入損失依舊不受影響，表 2-2 為現今部分廠商已生產常用之 14××波段拉曼幫激雷射合波器之主要幾項規格情形比較。. 14.

(25) 第三章拉曼光放大之有線電視系統性能實驗拉曼放大的效應是由於高功率在光纖中所產生的非線性效應. ( Stimulated Raman Scattering, SRS )將短波長之能量轉移給長波長而造成信號之放大作用，其所產生之位移量大約與幫激光源相距. 13.2THz ( ~105 nm )。本章中，將利用五種不同之實驗架構來討論拉曼放大器在類比 CATV 系統中所產生之問題並與摻鉺光纖放大器在同樣系統中作一比較。 3.1 量測系統架構實驗的架構中，我們是使用 Ortel 公司所研發的外調式調幅視訊光發射機( Model 3960A )，輸出功率為 5.9~6.2 dBm、輸出波長為. 1549.28 nm，以及對於布里昂的非線性效應( SBS )抑制功率為 16 dBm 的發射機，表 3-1 為此發射機之本身之性能。圖 3-1 為 Back-to-Back 之架構圖，所謂 Back-to-Back 是利用 NTSC ( National Television. Standard Committee ) 80 個載波頻道，載入發射機中傳送，利用一個已模組化之摻鉺光纖放大器將信號放大，其輸出功率約為 20 dBm，圖 3-2 為此摻鉺光纖放大器之 ASE 頻譜圖，放大器後並利用光衰減器(VOA)將信號衰減使其進入接收端的功率保持在 2 dBm，以產生最佳的視訊性能，且利用可調式射頻帶通濾波器( RF Tunable Bandpass. Filter )來濾除其它頻道，最後並使用有線電視頻譜分析儀( HP-8591C ) 來作性能分析，此架構中並無經過任何光纖傳輸。圖 3-3 為加上 25 km. LEAF ( Large Effect Area Fiber )光纖傳輸時的架構，所謂 LEAF 光纖也就是大有效面積光纖，一般而言，它的色散參數約為 4 ( ps/km-nm ) 比單模光纖的 17 ( ps/km-nm )來的低，但卻有著比單模光纖來得大的損失( ~0.24dB/km )，其有效面積(Aeff)約為 72µm2~90µm2，相較於 SMF 之 80µm2 以及 DSF 之 50µm2，其有較大之有效面積。在此架構中，. 15.

(26) 為避免由摻鉺光纖放大器輸出時過大的功率在進入光纖中會產生布里昂散射( SBS )的非線性效應因而劣化系統性能，因此我們利用光衰減器在輸入光纖前衰減其功率，讓進入光纖的功率保持在 16 dBm。圖 3-4 的架構圖為將上一架構( 圖 3-3 )之摻鉺光纖放大器改用分佈式拉曼放大器來取代，利用 4 顆 FP-LD ( Fabry-Perot Laser Doide ) 加上布拉格光柵的雷射，其波長分別為 1460 nm、1470 nm、1480 nm、. 1490 nm 來當作拉曼放大器的幫激雷射，幫激功率各為 22.58dBm、 22.91dBm、22.71dBm、22.52dBm，並利用 WaveSplitter 公司所生產的拉曼幫激雷射合波器將不同幫激波長之雷射結合在一起輸出，總幫激輸出功率約為 26.43 dBm ( 440 mw )，使用 1480/1550 的 WDM 耦合器來與信號作結合，並使用後向幫激的方式利用 25 km 的 LEAF 光纖當作其增益介質以放大信號。由於幫激功率有 26.43 dBm，對於 25. km 的 LEAF 光纖而言，在發射機端仍會有殘餘之幫激功率打入外調器中，使得雷射輸出的線性度受到影響而造成性能中 CTB 的嚴重劣化，因此我們在發射機的輸出端加一隔離器(Isolator)來避免殘餘的幫激功率打入外調器中。再者，為濾除信號波長以外的雜訊，我們使用一個 1×8 的分波解多工器( DMUX )置於接收機前，其第二頻道之濾波頻帶的光譜如圖 3-5 所示，所對應波長為 1549.32 nm，3 dB 處的濾波頻帶寬約為 0.98 nm，具有約 1.8 dB 的插入損失值。在此架構下，所產生之拉曼增益為 9.25 dB。圖 3-6 之架構圖是將圖 3-4 的 25 km LEAF 光纖改由 25 km 單模光纖( SMF )取代，對於相同的幫激功率下，在加入單模光纖的架構中其拉曼增益只有 6.4 dB，原因是因為單模光纖有較大的纖核( core ) 半徑，因此在光纖中所產生的非線性拉曼效應亦較小，故對於信號便產生較小之增益值。圖 3-7 為量測拉曼增益所用之方法，首先在分波解多工器( DMUX )的輸入端量到未加上幫激功率時的信號光譜，而後將幫激功率開啟同樣的量到經過放大後的信號光譜圖，兩信號尖端的功率差即所謂的拉曼增益。. 16.

(27) 對於較長距離的傳輸，我們有使用了 80 km 的 LEAF 光纖來傳輸的架構如圖 3-8 所示，由於功率預置( Power budget )的不足，所以同時使用了摻鉺光纖放大器與拉曼光纖放大器作為信號之放大。對於摻鉺光纖放大器所產生之放大自發性輻射( ASE )所造成的影響，我們在摻鉺光纖放大器的後端加上一個 3 dB 的濾波頻帶為 2.5 nm 的光帶通濾波器( Optical Bandpass Filter, OBPF )以預先濾除摻鉺光纖放大器所產生之 ASE 雜訊，在總長為 80 km 的 LEAF 光纖中，利用後向幫激所產生的拉曼增益為 10.1 dB。這五種架構為本論文為討論拉曼放大器在類比 CATV 中所產生之影響，並與以往所使用之摻鉺光纖放大器作一比較，更利用不同光纖所產生之不同系統性能作探討，以確切指出拉曼放大器在此系統之可行性。. 3.2 實驗結果在 Back-to-Back 的架構中，直接經由摻鉺光纖放大器放大信號並在接收端使用頻譜分析儀所量得之 CNR 約為 48.8~50.4 dB、CSO 約為 74.2~78.8 dBc 、CTB 約為 71.8~74.3 dBc。而對於加入 25km LEAF 光纖經由摻鉺光纖放大器的架構中，在接收端所量得的 CNR 約為. 47.5~50.4 dB 相較於 Back-to-Back 約劣化 0.5~1.0 dB，原因為信號在光纖中所造成信號的損失與光纖在傳輸中雜訊的累積所致，CSO 約為 73.3~78.3 dBc，CTB 約為 69.4~73.7 dBc，相較於 Back-to-Back 各約劣化 2~3 dB，原因為光纖中之色散與非線性效應( SPM )所造成在接收端時電信號中的合成拍差增加而劣化系統中之性能。圖 3-9 為經過 25km LEAF 光纖後在接收端未經過衰減器前的信號頻譜圖，顯示信號在經過摻鉺光纖放大器及光纖傳輸後所產生之訊號與雜訊，所造成之雜訊主要為摻鉺光纖放大器中之 ASE 為主。之後，我們將系統中之摻鉺光纖放大器改以自組之分佈式拉曼光纖放大器取代，使用濾波頻寬為 0.98 nm 之分波解多工器( DMUX ) 作為濾除其他殘餘幫激波長的元件，圖 3-10 為此架構中在分波解多 17.

(28) 工器之輸入/出端所量得的信號與幫激波長之頻譜圖，對於後向幫激的分佈式拉曼光纖放大器所造成之殘餘幫激功率，可被完全的濾除。而系統中所使用的隔離器，為隔離過多的幫激功率打入發射機的外調器中造成雷射輸出的線性度受到影響而劣化 CTB，圖 3-11 為在發射機之輸出端有加與未加隔離器時之 CNR、CSO、CTB 之情況比較，很明顯的在加入隔離器後 CTB 有了明顯的改善( ~11dB )，而在此系統之架構下量得的 CNR 約為 46.1~48.7 dB，CSO 約為 74.3~77.5 dBc，. CTB 約為 68.8~72.8 dBc，相較於 Back-to-Back 的架構而言，CNR 約有 1~2 dB 的劣化值，CSO 約有 1~2 dB 劣化，CTB 約有 2~3dB 的劣化。若針對使用摻鉺光纖放大器與拉曼光纖放大器於系統中對於其性能作一比較，我們可以發現在加入拉曼放大器時的 CNR 約差了 1~1.5. dB 左右，而 CSO、CTB 的部分則相差細微。為探討對於不同的傳輸光纖所造成對系統性能的影響，我們改採用 25 km 的單模光纖( SMF )來替代先前 25 km 的 LEAF 光纖，同時仍使用拉曼光纖放大器來對信號作放大，在此系統架構中，CNR 約為 46.5~51.8 dB，CSO 約為 72.7~77.2 dBc，CTB 約為 68.1~72.3 dBc。由於單模光纖具有較 LEAF 光纖低的損失( ~0.22 dB/km )與較高的色散量( ~17 dB/km-nm )，因此相較於加入 LEAF 光纖的架構中 CSO 與. CTB 由於色散量較大而分別劣化 1~2 dB、0.5 dB，而 CSO 以較高頻段劣化較嚴重，因為合成二次拍差大多分佈於高、低頻段間，且會隨載波頻率的提高而劣化更嚴重。對於 CNR 則因為在接收端都保持相同之接收功率，故兩者相差不多，圖 3-12 為在拉曼放大器下使用不同光纖的所各別量得之系統 CNR、CSO、CTB 分佈比較情形。長距離的傳輸實驗中，我們使用 80 km 的 LEAF 光纖來當作其放大與傳輸介質，並同時使用拉曼與摻鉺光纖放大器來放大信號。在系統的性能表現上，我們量得其 CNR、CSO、CTB 分別為 45.2~47.3 dB、. 72.3~75.9 dBc、67.4~71 dBc，由於摻鉺光纖放大器產生的放大自發性輻射(ASE)經過光帶通濾波器所殘餘的雜訊以及分佈式拉曼放大器產生的拉曼自發性輻射與信號本身的光源自發性輻射 ( Source 18.

(29) Spontaneous Emission, SSE )相互所累積的雜訊而造成此系統中 CNR 的嚴重劣化，相較於 B-B 的架構中約差 3 dB，而也由於長距離的傳輸信號受光纖中色散與其他非線性效應( SPM )的影響，對於 CSO 與. CTB 也分別有 2~3 dB 與 1~2 dB 的劣化。 3.3 討論實驗中證實，當使用拉曼光纖放大器於類比之 CATV 系統時，. CNR 會因為其幫激雷射在傳輸之光纖中產生較高的拉曼自發性輻射與信號本身的光源自發性輻射( SSE )而造成劣化，圖 3-13 為沒有加入信號時，純粹由幫激雷射經由 25 km 的 LEAF 光纖在 DMUX 前所量得的光譜圖，由圖可看出其雜訊頻帶範圍由 1510~1600 nm 左右。對於光的信號部分，我們找出影響信號雜訊最大之幫激雷射為 1460. nm。圖 3-14 為在 DMUX 輸出端所量到未加信號時，各個幫激雷射〝off〞時在信號波長處的雜訊光譜圖，由雜訊的高低可以判斷出當. 1460 nm 波長的幫激雷射關掉時，其雜訊降低最多。而對於電信號的部分，亦使用電的頻譜分析儀( ESA )來量測其相對頻譜及雜訊間之關係。我們針對 4 顆雷射全開與關掉 1460 nm 的雷射來看其信號雜訊在電的頻譜儀上的變化差異，並比較平均模態( average mode )、即時時間模態( real time mode )以及最大值模態( Max & hold mode )三種模態之差別。圖 3-15、3-16、3-17 分別為其三種模態比較 1460 nm 雷射. on/off 的情形，在圖中，我們可以看出當 1460 nm 波長的雷射關掉時，在信號旁邊的雜訊有些微的下降，這是造成 CNR 改善的主要原因。對於關掉 1460 nm 波長的雷射的系統架構下，所量得的 CNR、CSO、. CTB 分別為 47.1~49.9 dB、74.6~77.8 dBc、68.5~74.5 dBc，對於 CNR 約有 0.5 ~1.0 dB 的改善。相較於使用摻鉺光纖放大器的系統中，CNR 以由原本相差 1.5 dB 改善至相差 0.5 dB，而 CSO 與 CTB 則差不多，因此我們可以證明，有效的改善幫激雷射所造成的雜訊可明顯的提高系統之 CNR 值。圖 3-18、3-19、3-20 分別為五種系統架構中的 CNR、. CSO 與 CTB 的比較圖，圖中可以明顯看出彼此之間的劣化情形。. 19.

(30) 第四章結論論文中，我們分別利用<1> Back-to-Back、<2> 摻鉺光纖放大器加上 25km 的 LEAF 光纖、<3> 25km 的 LEAF 光纖的拉曼放大器、. <4> 25km 的單模光纖的拉曼放大器以及<5>長距離 80km 的 LEAF 光纖加上摻鉺光纖放大器與分佈式拉曼光放大器這五種不同的架構於類比的 CATV 系統中來探討拉曼光放大器在其上之性能表現與其適用性，並且與以往在系統上作為放大信號的摻鉺光纖放大器作一比較。同時也討論不同光纖的特性在拉曼放大器上的性能之差異與經過長距離的傳輸情形。結果發現，在類比的 CATV 系統中加入分佈式拉曼放大器其 CNR 會有較嚴重之劣化情況，相較於同樣系統下改用 EDFA 放大器，其性能也較差，我們發現影響其 CNR 劣化的原因主要為拉曼自發性輻射在 1510~1600 nm 的波長範圍間累積較高的雜訊與信號本身的光源自發性輻射( Source Spontaneous Emission, SSE )所致。而對於分別使用不同的光纖( SMF/LEAF )的系統下，我們也發現其光纖所產生的色散量將對 CSO 將產生較大的影響，色散量越大將對 CSO 劣化越嚴重。長距離的傳輸系統中，搭配了 EDFA 與拉曼光放大器一起使用的結果，致使兩種放大器的雜訊在系統中相互的累積而明顯的造成系統的性能劣化了。我們發現，在此研究的結果中，分佈式拉曼光纖放大器在於類比的 CATV 系統中相較於 EDFA 在相同之類比系統架構而言，其性能較差，原因為它將造成系統上 CNR 較嚴重之劣化。至於是否可實用，仍待進一步對系統需求之評估。. 20.

(31) 參考文獻 [1]. F. W. Willems, W. Muys, and J. S. Leong, “Simultaneous suppression of stimulated Brillouin scattering and interferometric noise in externally modulated lightwave AM-SCM systems,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 6, no. 12, pp. 1476-1478, 1994.. [2]. T. H. Wood, A. K. Srivastava, J. L. Zyskind, J. W. Sulhoff, “Two-wavelength WDM analog CATV transmission with low crosstalk,” in Technical Digest, OFC’97, paper THP2, 1997.. [3] Y. K. Chen, Y. L. Liu and C. C. Lee, “Directly modulation 1.55µm AM-VSB video. EDFA-repeatered. supertrunking. system. over. 110km. standard. singlemode-fiber using split-band and wavelength division multiplexing techniques,” Electron. Lett., vol. 33, no. 16, pp. 1400-1401, 1997. [4]. C. H. Chang and Y. K. Chen, “Experimental demonstration of bi-directional lightwave CATV 100km transmission system using SMF and LEAF links,” Electron. Lett., vol. 36, no. 3, pp. 243-244, 2000.. [5]. M. Yan, J. Chen, W. Jiang, J. Li, J. Chen and X. Li, “Automatic design scheme for optical-fiber Raman amplifiers backward-pumped with multiple laser diode pumps,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, no. 9, pp. 948-950, 2001.. [6] M. Nissov, K. Rottwitt, H. D. Kidorf and M. X. Ma, “Rayleigh crosstalk in long cascades of distributed unsaturated Raman amplifier,” Electron. Lett., vol. 35, no. 12, pp. 997-998, 1999. [7]. A. Berntson, S. Propov, E. Vanin, G. Jacobsen and J. Karlsson, “Polarisation dependence and gain tilt of Raman amplifiers for WDM systems,” Optical Fiber Communication (OFC), vol. 1, paper MI2, 2000.. [8]. H. Kim, K. H. Han, Y. C. Chung, “Performance limitation of hybrid WDM systems due to stimulated Raman scattering,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, no. 10, pp. 1118-1120, 2001.. [9]. M. E. Marhic, F. S. Yang, Y. Akasaka and L. G. Kazovsky, “Suppression of fiber nonlinearities in HFC systems by distributed fiber Raman amplification,” Tech. Dig. IEEE Laser and Electro-Optics Society Topical Meeting (LEOS’99), pp. 21.

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(33) 表 2-1 摻鉺光纖放大器(EDFA)與拉曼放大器(DRA)之比較. ( Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA ) Amplification Band. Depends on dopant. Depends on pump wavelength. Depends on： Gain. Depends on：. 1. ion concentration 2. fiber length 3. pumping configuration. Pump Wavelength. 980 nm or 1480 nm. Pump Power. Gain threshold depends on doping. Crosstalk. ( Distributed Raman Amplifier, DRA ). Very low. 1. effective fiber area 2. fiber length 3. pumping configuration 13 THz higher than signal frequency at peak gain Gain depends on power intensity Strong. 23.

(34) 表 2-2 拉曼幫激雷射合波器之生產廠商與規格. 廠商. #Ports Channel spacing(nm) I.L.(dB). Wavesplitter. 2. 7~60. ≦ 0.3. www.wavesplitter.com. 3&4. 7~25. ≦ 0.6. 2 or more. N/A. 4. 15. Dicon Fiberoptics www.diconfiberoptics.com U-Conn www.uconn.com.tw Laser 2000. 2. www.laser2000.co.uk. 3&4. 5~20. PDL(dB) Iso.(dB) Directivity(dB) R.L.(dB) ≧ 15. ≦ -60. ≧ 55. 1420~1495. >5. 0.6~0.9. 0.05~0.1. 10~12. ≧55. ≦ -50. 1410~1490. 2. 0.6~0.8. ≦ 0.2. 10~12. > 55. > 55. 1420~1500. 3. ≦ 0.2. ≧15. ≦ -55. ≧55. 1420~1490. 3. ≦ 0.4 ≦ 0.8. 1420~1433 2. N/A. 0.3~0.5. 0.1. 15~25. 60. 50. www.fiteltech.com. 1420~1449 1484~1493. 1.5. 1459~1493 2. N/A. 0.2~0.5. N/A. Oplink communication.Inc. 2. 6.4. < 0.6. < 0.2. www.oplink.com. 4. 7.5. < 0.8. < 0.2. BROWave. 2. 5~20. ≦ 0.4. www.browave.com. 3&4. 5~20. ≦ 0.8. www.cidra.com. Handling Power(W). ≦ 0.1. Fitel Technology. CIDRA. △λ(nm). ≦0.2. N/A. 55. N/A. > 55. > 55 1465/1472.5/1480/1487.5. ≧ 15. ≦ -55. ≧ 55. 24. 55. 1455~1498. 1420~1490. N/A 0.5 5.

(35) 表 3-1. Ortel TX (Model 3960A) characteristics. RF Input power ：+22dBmV/ch. Transmitter Output Power：+6.12dBm. Received Optical Power：0dBm CNR (dB) CSO (dBc) CTB (dBc). Carrier frequency (MHz). Ch.2. 50.8. 78.4. 65.6. 55.25. Ch.6. 50.9. 77.8. 63.9. 83.25. Ch.7. 50.6. 77.7. 64.4. 175.25. Ch.13. 51.9. 78.2. 64.5. 211.25. Ch.24. 51.9. 76. 64.6. 223.25. Ch.36. 53.1. 77.5. 62.2. 295.25. Ch.40. 53.3. 74.4. 64.4. 319.25. Ch.45. 53.2. 70.9. 62.2. 349.25. Ch.56. 52.1. 65.5. 64.6. 415.25. Ch.60. 52.5. 63.2. 61.7. 439.25. Ch.66. 52.4. 65.7. 60.9. 475.25. Ch.78. 53.3. 65.3. 55.3. 547.25. 25.

(36) 4 MHz. 圖 2-1 CNR 的分佈與量測圖[10]. Frequency (MHz). 圖 2.2 CSO 對不同頻率時之分佈情形[10]. 26.

(37) Frequency (MHz) 圖 2.3 CTB 對不同頻率時之分佈情形[10]. 聲音載波. f0 影像載波彩色副載波. 0.75 MHz 1.25 MHz. 圖 2-4 CSO 之分佈與量測圖. 27.

(38) 影像載波聲音載波. 彩色副載波. CTB. 三次合成拍差. 圖 2-5 CTB 之分佈與量測圖. EDF ISO1. WDM1. WDM2. ISO2. Pin. Pout. Pump LD1. Pump LD2. 圖 2.6 摻鉺光纖放大器(EDFA)之基本架構. 28.

(39) 圖 2.7 鉺離子(E3+)的能階分佈圖[12]. Intermediate state hνi hνi. hνs hνs ＜c＞. hνs ＜b＞＜a＞. 圖 2.9 激發性拉曼散射能階變化[15] 29.

(40) Intermediate state hνi hνi. hνs hνs ＜c＞ hνcb ＜b＞＜a＞. (a) Stokes transition. Intermediate state hνi hνi. hνs hνs ＜c＞＜b＞ hνba ＜a＞. (b) Anti-stokes transition 圖 2.8 自發性拉曼散射能階分佈變化情形[15]. 30.

(41) 圖 2-10 拉曼增益頻譜[17].. 圖 2-11 不同幫激功率所對應之拉曼增益分佈情形[17].. 31.

(42) 6.0 dBm. 2 dBm. 20.0 dBm. 80 CHs CATV EM-TX. EDFA. VOA1. 圖 3-1. Back-to-Back 架構圖.. RX. RF-BPF. CATV-ESA. EDFA ASE Spectrum -10. ASESpectrum. -15. (dB). -20 -25 -30 -35 -40 1520. 1530. 1540 1550 Wavelength(nm). 圖 3.2 摻鉺光纖放大器頻譜圖. 32. 1560. 1570.

(43) 6.0 dBm 20.0 dBm. 80 CHs. 16 dBm. 9.5 dBm. 2 dBm. VOA1 LEAF 25km. EDFA CATV EM-TX. VOA2. RX. RF-BPF CATV-ESA. 圖 3-3 EDFA+25km LEAF 架構圖. 6.0 dBm 5.25 dBm 80 CHs CATV EM-TX. Iso.. 6.75 dBm. LEAF 25km. 2 dBm. 1*8 VOA1 DMUX. RX. RF-BPF CATV-ESA 1460nm FP-LD 1470nm FP-LD 1480nm FP-LD. 26.43 dBm. 圖 3-4 25km LEAF Raman amplifier 架構圖. 33. 1490nm FP-LD.

(44) (dBm). DMUX CH2 Passband -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85. DMUX CH2 Passband. 1544. 1546. 1548 1550 Wavelength(nm). 1552. 1554. 圖 3.5 1×8 分波解多工器( DMUX ) Ch2 頻譜圖. 6.0 dBm 80 CHs CATV EM-TX. Iso.. -1.45 dBm 3.80 dBm. 5.25 dBm. SMF 25km. 2 dBm. 1*8 DMUX. RX RF-BPF CATV-ESA 1460nm FP-LD 1470nm FP-LD 1480nm FP-LD. 26.43 dBm. 圖 3-6 25km SMF Raman amplifier 架構圖.. 34. 1490nm FP-LD.

(45) (w/i w/o Raman) DM UX input Spectrum 10 0. 9.25dB. -10 (dBm). W/I Raman. (w/o) Raman)Spectrum. -20 -30. (w/i Raman)Spectrum W/O Raman. -40 -50 -60 1547. 1548. 1549 1550 Wavelength(nm). 1551. 圖 3-7. 25km LEAF 光纖拉曼增益量測頻譜圖(9.25dB).. 35. 1552.

(46) 6.0 dBm 20 dBm. 15.65 dBm. 6.1 dBm. 2 dBm. 80 CHs CATV EM-TX. EDFA OBPF. LEAF (50km). LEAF (30km). 1*8 VOA2 RX RF-BPF CATV-ESA DMUX 1460nm FP-LD 1470nm FP-LD 1480nm FP-LD 20.98 dBm. 圖 3-8 EDFA+80km LEAF Raman amplifier 架構圖. 36. 1490nm FP-LD.

(47) w/i EDFA 25km LEAF 0 -10 w/i EDFA. (dBm). -20 -30 -40 -50 -60 -70 1539. 1544. 1549 Wavelength(nm). 1554. 1559. (a) span : 20nm w/i EDFA 25km LEAF. 0. w/i EDFA. -10 (dBm). -20 -30 -40 -50 -60 -70 1499. 1519. 1539 1559 Wavelength(nm). 1579. (b) span : 100 nm 圖 3-9 經過 EDFA 放大與 25 km LEAF 傳輸頻譜圖 (a) span：20 nm (b) span：100 nm. 37. 1599.

(48) w/i Pump & Signal. 0 -10. w/i Pump & Signal. (dBm). -20 -30 -40 -50 -60 -70 1460. 1480. 1500. 1520 1540 Wavelength(nm). 1560. 1580. 1600. (a) DMUX 輸入端. (dBm). w/i Pump & Signal (DMUX right) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1460. w/i Signal & Pump. 1480. 1500. 1520 1540 Wavelength(nm). 1560. 1580. 1600. (b) DMUX 輸出端圖 3-10. 25 km LEAF 光纖的拉曼放大器在 DMUX 輸入/出端頻譜圖 (a) DMUX 輸入端. (b) DMUX 輸出端.. 38.

(49) 1. w/o Iso. 25km LEAF Raman. 2. w/i Iso. 25km LEAF Raman. 80. (dBc). 75 70. CNR1. 65. CTB1. CSO1 CNR2. 60. CSO2 CTB2. 55 50 45. (MHz). 40 55.25 121.25 223.25 307.25 331.25 415.25 475.25 547.25. 圖 3-11 發射機輸出端加有/未加隔離器之性能比較 1. 25km LEAF Raman. 2. 25km SMF Raman. 80 75 CNR1. 70. CSO1 CTB1. (dBc). 65. CNR2. 60. CSO2 CTB2. 55 50 45. (MHz). 40 55.25 121.25 223.25 307.25 331.25 415.25 475.25 547.25. 圖 3-12 拉曼放大器下 SMF/LEAF 光纖之系統性能比較. 39.

(50) w/o Signal w/i Pump 0. w/o Signal. -10 -20 (dBm). -30 -40 -50 -60 -70 -80 1460. 1480. 1500. 1520. 1540. 1560. 1580. 1600. Wavelength(nm). 圖 3-13 幫激雷射所產生之拉曼自發性輻射頻譜圖. -50. 1460nm pump off. -51 -52. 1470nm pump off 1480nm pump off. 4 LDs on. 1490nm pump off. (dBm). -53 -54 -55 -56. 4 LDs on. 1490nm LD off 1470nm LD off 1480nm LD off 1460nm LD off. -57 -58 -59 -60 1545. 1547. 1549 1551 Wavelength(nm). 1553. 圖 3-14 各幫激雷射在信號波長處之雜訊影響 ( DMUX 輸出端 w/o signal ). 40. 1555.

(51) 圖 3-15 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖( average mode ). 41.

(52) 圖 3-16. 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖( real time mode ). 42.

(53) 圖 3-17 1460 nm 幫激雷射(on/off)電訊號頻譜圖( Max & hold mode ). 43.

(54) CNR. 54. B-B EDFA+25km LEAF 25km LEAF Raman (1460nm pump off) 25km SMF Raman EDFA+80km LEAF Raman. 52. (dB). 50 48 46 44 42 (MHz). 40 55.25. 121.25. 223.25. 307.25. 331.25. 415.25. 圖 3-18 各架構之 CNR 比較. 44. 475.25. 547.25.

(55) CSO. B-B. 80. EDFA+25km LEAF. 79. 25km LEAF Raman (1460nm pump off). 78. 25km SMF Raman. 77 (dBc). 76 75 74 73 72 71 70. (MHz) 55.25. 121.25. 223.25. 307.25. 331.25. 415.25. 圖 3-19 各架構之 CSO 比較. 45. 475.25. 547.25.

(56) CTB 80. B-B EDFA+25km LEAF. 78. 25km LEAF Raman(1460nm pump off) 25km SMF Raman. 76. EDFA+80km LEAF Raman. 74. (dBc). 72 70 68 66 64 62 60. (MHz) 55.25. 121.25. 223.25. 307.25. 331.25. 415.25. 圖 3-20 各架構之 CTB 比較. 46. 475.25. 547.25.

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