行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
分波多工被動光網路關鍵光纖模組(波長可調雷射與混成光 纖放大器)之研發
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-017-
執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系
計 畫 主 持 人 ： 廖顯奎
共 同 主 持 人 ： 陳南光、徐桂珠
計畫參與人員： 碩士級-專任助理人員：葉姿君 碩士班研究生-兼任助理人員：王祥 碩士班研究生-兼任助理人員：蔡承全 碩士班研究生-兼任助理人員：許凱翔 碩士班研究生-兼任助理人員：洪信凱
報 告 附 件 ： 國外研究心得報告
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 99 年 12 月 02 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告 成 果 報 告 成 果 報 告 成 果 報 告
□期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告 分波多工被動光網路關鍵光纖模組之研發
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 98-2221-E-011-017
執行期間：98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日
計畫主持人：廖顯奎 教授
共同主持人：陳南光 助理教授; 徐桂珠 助理教授
計畫參與人員：王祥、徐凱翔、蔡承全、洪信凱、葉姿君
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
■赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情 形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學 電子工程系
中 華 民 國 99 年 11 月 20 日
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可供推廣之研發成果資料表
■ 可申請專利 ■ 可技術移轉
國科會補助計畫 國科會補助計畫 國科會補助計畫 國科會補助計畫
計畫名稱：分波多工被動光網路關鍵光纖模組之研發 計畫主持人：廖顯奎 教授
計畫編號：NSC 98-2221-E-011-017 學門領域：光電
技術 技術 技術
技術/創作名稱 創作名稱 創作名稱 創作名稱
光纖雷射與光纖放大器發明人 發明人
發明人 發明人/創作人 創作人 創作人 創作人
廖顯奎, 王祥、徐凱翔、洪信凱、葉姿君技術說明 技術說明 技術說明 技術說明
本發明所揭露之兩種裝置，第一種為寬頻譜混成光纖放大器，第二 種為單縱模(線性型共振腔)光纖雷射；其兩種基本架構包含分波多 工器、泵激光源、光纖光柵等元件。例如:第一種為利用光纖光柵 群分別置入摻鉺光纖及色散補償光纖中，利用光纖光柵不同之反射 率已達到增益平坦的效果；第二種為多重環形共振腔元件或飽和收 體或兩者混成，置入雷射共振腔內，以利抑制雷射旁模，進而產生 單縱模光纖雷射。
可利用之產業 可利用之產業 可利用之產業 可利用之產業
及 及 及 及 可開發之產品 可開發之產品 可開發之產品 可開發之產品
初步驗證有商品化潛力，此發明可開發出通訊用光纖放大器及光纖 雷射裝置，相當適用於光纖通訊與網路系統中。
技術特點 技術特點 技術特點 技術特點
寬頻譜混和光纖放大器中，在此技術以調整光纖光柵反射率及利用 殘餘泵激功率改善其增益等化及雜訊指數；而光纖雷射以線性型共 振腔單縱模光纖雷射架構產生單縱模雷射，具有架構較簡易、共振 腔較短之特點。兩種光纖元組件都相當具有實用性與量產優勢。
推廣及運用的價值 推廣及運用的價值 推廣及運用的價值 推廣及運用的價值
在此光纖放大器裝置中，利用殘餘泵激功率、調整光纖光柵反射率 以提昇增益等化後的增益值及在光纖雷射中，在共振腔之中改善因 子抑制雷射旁模之影響，便能夠使雷射以單縱模形式輸出。兩者裝 置十分適合用於高速度與長距離傳輸的光纖通訊。
日期日期日期日期：：：：99 年年年年 11 月月月 20 日月 日日日
※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研
發成果推廣單位（如技術移轉中心）。
※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
※
3.本表若不敷使用，請自行影印使用。附件二
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摘要 摘要 摘要 摘要
本計畫為寬頻譜混成光纖放大器之研製與優化線性型光纖雷射的縱模抑制：第一部份 為寬頻譜混成摻鉺光纖放大器/拉曼光纖放大器之研究，利用單一泵激雷射光源與泵激分配 機制達到寬頻譜放大，同時利用高反射率泵激反射元件達到殘餘功率再利用；再者透過一 個光循環器與分波多功元件將 C 頻帶與 L 頻帶光信號分離，由不同路徑進入混成光纖放大 器，並由不同波長的光纖光柵反射，形成去回放大式架構，增益等化後可獲得 20±0.5 dB 的增益，平均雜訊指數為 6.5 dB，並且於 10 Gb/s × 14 頻道，且傳輸 100 公里的系統中，
利用由光纖光柵擺置於與不同地點之色散補償方式達到精確之色散補償。
第二部分優化線性型光纖雷射的縱模抑制效果，首先從光纖雷射的泵激光源方向開始 討論，實驗中採用後向式的泵激架構因為其擁有比前向式的泵激架構還好之模態穩定度和 斜線效率。實驗中使用吸收係數為 18.79 dB/m@1530 nm，長度為 3 m 的摻鉺光纖當作增益 介質；之後將加入額外兩種不同的模態抑制架構，分別為環型子共振腔和摻鉺光纖吸收體，
討論兩種光纖雷射架構的模態頻譜，經由實驗發現，在法拉第旋轉鏡式光纖雷射架構下，
使用 0.5 m 或 0.3 m 的環型子共振腔分別可發現自由頻譜範圍約 428 MHz 及 714 MHz，而 當使用 0.17 m 的環型子共振腔時其自由頻譜範圍約為 1.26GHz，且可以得到單縱模光纖雷 射輸出；在另一方面，加入長度為 0.5 m，吸收係數較低之摻鉺光纖吸收體到法拉第旋轉鏡 式光纖雷射架構中，即可以有單縱模光纖雷射輸出且有高輸出功率。
關鍵詞關鍵詞
關鍵詞關鍵詞：：：：混和式光纖放大器、色散補償、泵激功率分配、光纖雷射、線性共振腔、單縱模
Abstract
This project is divided into two parts: in the first part we simulate unidirectional, broadband (signals) double-pass hybrid EDFA/RFA amplifiers (HFAs). Initially, we use the single-wavelength pump laser diode and pump-sharing mechanism to design the broadband HFAs, and also utilize the high-reflectivity pump reflector to reuse the residual pump power. When signals launch into HFAs, we can separate the C-band channels and L-band channels by using an optical circulator and a C/L WDM coupler. For gain equalization issue, we adjust the reflectivity
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of FBGs with specific wavelengths to obtain an average gain of 20±0.5 dB. In order to achieve a precisely dispersion compensation in a 100 km access network, we put dispersion compensation module (DCM) with several FBGs with various reflectivity and be written at different locations along the DCF. The second part is to investigate and optimize single-longitudinal-mode (SLM) linear cavity erbium-doped fiber lasers (EDFLs). Two fiber lasers based on different cavity-end schemes are presented. We add either sub-ring cavity (SRC) or absorber as mode-suppressed element into the fiber laser cavity. We find that the FRM-based fiber laser could generate free spectral range (FSR) of 428 MHz and 714 MHz using 0.5-cm and 0.3-cm length SRCs, respectively. Finally, SLM wavelength-tunable fiber lasers are demonstrated by integration Faraday rotator mirror (FRM) with wavelength-tunable FBG. The laser span range is 14 nm using single FBG. SLM operation may be realized in the whole span range both for FRM-based and FLM-based fiber lasers.
Keywords: Hybrid fiber amplifier, double-pass, pump sharing, fiber laser, linear-cavity, single-longitudinal-mode
前言 前言 前言 前言
隨著光纖通訊的需求日益增加，光纖元件也逐漸受到重視。近幾年來，單縱模光纖 雷射(single-longitudinal-mode fiber laser)的研究與日俱增 [1, 2]，它具有十分窄的雷射線 寬，以及模態影響性小、雜訊低和輸出雷射穩定之優點，對於需要高速度與長距離傳輸的 光纖通訊(fiber-optic communication)、有線電視(community antenna television, CATV)系統、
光纖感測(fiber sensor)以及高解析度的光譜量測(high-resolution spectroscopy)等皆有廣泛的 應用 [3]。在光纖傳輸中最常使用的技術為分波多工技術 (Wavelength-division multiplexing, WDM) 此技術有如下述優點，提供高速與高容量的資料傳輸、系統升級能力佳、具良好的 通訊保密...等，將使其成為未來寬頻接取網路 (Broadband access network) 最合適佈署對 象。近年來大量 WDM 系統的業務也已經被完成，但是光纖的損耗卻大大的限制了網路的 性能，僅能傳輸 25 公里，為了解決此問題，擴展光網路分佈可使用遠端泵激技術(Remote
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pumping)[4-7]。
在光纖放大器方面由筆者先前研究[8]可知，藉由調整適當的泵激功率比例來達到 C+L
band 架構混成光纖放大器增益等化。然而殘餘色散問題仍然存在，增益等化也未討論。再 者實驗室先前之研究為一串聯式的 C+L band 架構，雖然此架構也是基於泵激功率分享 (Pumping share) 的去回放大式 C+L band EDFA/RFA 混成光放大器[4]，也達成了增益等化 之目標，然而卻無法實現雙向傳輸，在[5]，實驗室研究另外一種架構可實現色散補償與增 益等化，並且利用去回放大式架構減少 50 % 的增益光纖用量，但是僅限制於 C-band 的拉 曼光纖放大器。在光纖雷射方面是以摻鉺光纖放大器做為基礎，使用摻鉺光纖做為增益介 質，並搭配光纖光柵與與光反射元件來構成共振腔，因此摻鉺光纖雷射架構簡單，且全光 纖(all fiber)型結構是其優點，可與光纖相容性高，相對於半導體雷射而言較能夠適應惡劣 的工作環境，例如：高溫、高振動、高衝擊和多粉塵等的環境。因此本計畫將著眼於光纖 放大器與光纖雷射架構之研究。
研究目的研究目的 研究目的研究目的
隨著雲端概念的發展，光纖網路的傳輸資料急遽的增加，因此光纖放大器在傳輸中 所扮演著角色越來越重要，在人們對網路服務的需求無止盡的擴大之下，導致傳統 C-band 摻鉺光纖放大器已經不敷使用，傳輸頻寬因而拓展到 L-band，例如 L-band 摻鉺光纖放大器 或是拉曼光纖放大器都是研究重點，兩者比較之下，拉曼光纖放大器具有波長選擇便利性 與低雜訊指數…等優勢，故此本論文於模擬方面，設計去回放大式之寬頻譜 EDFA/RFA 混 成光纖放大器。然而大部分的混成光纖放大器使用多顆泵激光源，例如：在摻鉺光纖放大 器中，C-band 與 L-band 分別使用 980 nm 與 1480 nm 兩種不同泵激雷射光源，寬頻譜拉曼 光纖放大器更是使用多顆泵激雷射光源來達到目的，不僅花費較高，管理上也較為繁瑣，
再加上光纖非線性效應對系統穩定度有著相當大的影響，因此本計畫使用單一波長的泵激 雷射光源供給 C-band 摻鉺光纖放大器及 L-band 拉曼光纖放大器能量，其次選擇波長為 1495 nm 的泵激雷射拓展 L-band 放大頻寬的上限；並且將泵激能量以下述兩種分式提供給不同 頻帶的光纖放大器：（一）直接分配泵激功率比例；（二）調整泵激功率反射元件之反射率
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分配殘餘泵激功率；而本計畫亦保有以往研究中所具備的精確地色散管理、增益等化以及 低雜訊指數之特色；最後，本計畫將單向傳輸之去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器設計 為可應用於雙向傳輸的系統中。
基本的摻鉺光纖雷射架構，可分為線性型與環型兩種架構。而目前單縱模光纖雷射的 研製多是以環型架構為主 [1-3,11-12]，甚少探討線性型光纖雷射，原因在於環型架構中光 波在共振腔是以行進波的方式來振盪，而線性型架構中光波則是會以定波或駐波的形式存 在，會造成光波相互影響性較大 [13]。不過線性型摻鉺光纖雷射結構簡單，且共振腔長度 較短，在自由頻譜範圍方面較環型摻鉺光纖雷射架構優越 [3]，環型摻鉺光纖雷射所使用的 元件較多，成本相對提高，共振腔長度較長也會造成功率擾動的現象，所以本研究將著重 在線性型摻鉺光纖雷射架構做改良，針對此點在線性型光纖雷射的共振腔之中加入光學元 件，利用元件的特性來消除駐波的影響與模態的抑制，期望設計一套低成本、設計簡單與 高穩定度的線性型單縱模光纖雷射架構。
文獻探討文獻探討 文獻探討文獻探討
在光纖放大器部分，大部分的遠端泵激放大器為前置放大器 (Pre-amplifier) 來供給放 大，如此便可拓寬網路傳輸距離，然而 WDM 系統中面臨了一個問題，傳統摻鉺光纖放大 器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 工作區域僅涵蓋 C-band (1530 ~ 1565 nm )且增益 波段不平坦。若要將摻鉺光纖放大器使用於 L-band (1570 ~1610 nm )，則必須增加泵激功率 與摻鉺光纖長度，而另一種光纖放大器為拉曼光纖放大器(Raman fiber amplifier, RFA)，具 有彈性的增益頻帶、雜訊指數佳與增益介質選擇性多等特性，因此在遠端泵激技術中更具 有吸引力，然而長距離傳輸光信號時，色散將會降低 WDM 系統性能，使得誤碼率(Bit error rate, BER)變差或品質因素(Q factor)下降，因此如何設計寬頻譜、高增益、低雜訊、兼具增 益等化以及色散補償功能的放大器是努力目標[14-17]。
在光纖雷射部分，單縱模環型共振腔光纖雷射在近幾年來有不少論文對此作研究(但甚 少探討線性型共振腔雷射)。環型共振腔欲達成單縱模光纖雷射，多數文獻都是在共振腔裡 加入一段不被激發的增益介質當作吸收體(Absorber) [18-20]；或者仿照申請人團隊在 1998
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之 Optics Letters/CLEO 1998 文章於共振腔中加入多個子共振腔(Sub-cavity) [3,13]，只不過 把頻帶由 C band 移至 S band 或擴展成 C+L band 等。也有少部分利用加入多個光纖光柵形 成小型共振腔 [21]；或者其他較特殊方式達成 [22]。雖然這類形成單縱模光纖雷射的方法 有其可行性，但是所需的成本相對也較高，且環形共振腔的長度相對於線性型共振腔光纖 雷射較長或者造成模態數過多。換句話說，若是能降低共振腔長度，則可以降低使用模態 問題並且在最後雷射輸出效果會達到功率較為穩定，而不會有功率擾動的問題，並且根據 經驗線性共振腔能更有效率使用泵激光源功率，臨界功率也較低。
參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻
[1] M. Tang, X. Tian, and X. Lu et al., “Single-frequency 1060 nm semiconductor-optical-amplifier-based fiber laser with 40 nm tuning range,” Opt. Lett., vol.
34, Issue 14, pp. 2204-2206, 2009.
[2] Y. Zhou, S. Liu, X. Tu, Z. Yin, and X. Chen, “An experimental investigation of a novel dual-wavelength single-longitudinal-mode fiber laser,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 51, no. 7, pp. 1760-1763, 2009.
[3] K. Y. Cho, Y. Takushima and Y. C. Chung, “10-Gb/s operation of RSOA for WDM-PON,”
IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 20, pp. 1533-1535, 2008.
[4] S.-K. Liaw and Y.-S. Huang, “C+L-band hybrid amplifier using FBGs for dispersion-compensation and power equalization,” Electron. Lett., vol. 44, pp. 844-845, 2008
[5] S.-K. Liaw, L. Dou and A. Xu, “Fiber-Bragg-grating-based dispersion- compensated and gain-flattened Raman fiber amplifier,” Opt. Express, vol. 15, pp. 12356-12361, 2007.
[6] J. Liu, J. Yao, J. Yao and T. H. Yeap, “Single-longitudinal-mode multiwavelength fiber ring laser,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 16, no. 4, pp.1-3, 2004.
[7] F. Lie´geois, Y. Hernandez, G. Peigne´, F. Roy, and D. Hamoir, ”High-efficiency, single-Longitudinal-Mode Ring Fiber Laser,” Electron. Lett, vol. 41, no. 13,2005.
[8] Y. Aoki, “Properties of fiber Raman amplifiers and their applicability to digital optical communication system,” J. Lightwave Technol., vol. 6, pp. 1225-1239, 1998.
[9] S.-K. Liaw, C.-K. Huang and Y.-L. Hsiao, “Parallel-type C+L band hybrid amplifier pumped by 1480 nm laser diodes,” Laser Phys. Lett., vol. 5, pp. 543-546, 2008
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[10] C. H. Yeh and S. Chi, “A Broadband Fiber Ring Laser Technique with Stable and Tunable Signal-frequency Operation,” Opt. Express, vol. 13, no. 14, pp. XX-XX, 2005.
[11] C. H. Yeh, M. C. Lin and S. Chi, “Stable Single-Mode Operation of a Narrow-linewidth, Linearly Polarized, Erbium-Fiber Ring Laser Using a Saturable Absorber,” Opt. Express, vol.
13, no. 18, pp.2179-2183, 2005.
[12] A. Polynkin, P. Polynkin, M. Mansuripur, and N. Peyghambarian, “Single-frequency Fiber Ring Laser with 1W Output Power at 1.5 µm.” Opt. Express, vol. 13, no. 8, pp.3179-3184, 2005.
[13] 黃鈺勝, “具多優點之混合型光纖放大器研究 ,”
國立台灣科技大學碩士論文
, 2009研究方法 研究方法 研究方法 研究方法
(1) 單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器
在架構中圖 1 當光信號經過傳輸後，由光循環器埠 1 進入去回放大式之混成光纖放大 器模組中，C-band 與 L-band 光信號由 C/L WDM 分離在色散補償模組內走相反路徑，並由 光纖光柵反射回 DCF 最二次補償與二次放大，最後 C-band 與 L-band 光信號再由 C/L WDM 耦合輸出。
圖 圖 圖
圖 1 單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器單向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器
C-band 與 L-band 的光纖光柵陣列分別寫製在 DCF 兩端，圖 1 上端為 L-band 光纖光柵陣 列，其標示為 FBGLi，i = 1~6，波長為 1570, 1575,…,1595 nm，各個 FBG 間的 DCF 長度為 106, 100, 95, 90, 85 m，下端為 C-band 光纖光柵陣列，標示為 FBGCj，j = 1~8，波長為 1530,
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1535,…1565 nm；兩組光纖光柵陣列之間的 DCF 標記為 com-DCF，長度為 6956 m；由於 C-band 光信號所需 DCF 長度較 L-band 光信號長，在 L-band 光纖光柵與 SPF 之間尚須一 段 DCF，標記為 end-DCF，長度為 1134 m。由上述可知，殘餘色散問題可獲得解決。
圖 2 (a)為增益與反射率關係圖，FBG 反射率初始設定為 99 %，而光信號增益並不平 坦，最大增益 27 dB 發生在波長 1530 nm 處，最小增益 20.5 dB 則發生在 1570 nm，兩者差 6.5 dB，為了達到增益平坦(Gain Equalization, GE)目的，將調整各個 FBG 反射率，如圖 3 (b)。
(a) (b) 圖圖圖
圖 2 增益等化與布拉格光纖光柵反射率增益等化與布拉格光纖光柵反射率增益等化與布拉格光纖光柵反射率增益等化與布拉格光纖光柵反射率 (a) 增益等化前增益等化前增益等化前 (b) 增益等化後增益等化前 增益等化後增益等化後增益等化後
在此實驗架構中，成功的達成下列目標：(1)利用單一波長的泵激雷射光源達到 20 dB 的增 益；(2)去回放大式架構減少 50 % 增益光纖使用量；(3)精確的色散補償則透過 FBG 寫製 在正確的位置上達成；(4)減少 C-band 與 L-band 光信號互相干擾：其一為利用 C/L WDM 令 C-band 和 L-band 光信號以不同路徑進入反射式混成光纖放大器，由於兩個頻帶的光纖 光柵寫製在色散補償光纖兩側，而且 L-band 光信號並不行經摻鉺光纖，能保有拉曼光纖 放大器本質，其二則是利用 SPF 壓抑 L-band 光信號進入摻鉺光纖內，使得 C-band 與 L-band 光信號不互相干擾，結果如圖 2(a)所示，C-band 光信號增益圖形近似於摻鉺光纖放大器特 色；(5)增益等化：調整 FBG 反射率，使得各個頻道增益為 20 dB；(6)低雜訊指數：透過 泵激功率分配可獲得較佳的雜訊指數，唯有調整 FBG 反射率時會造成雜訊指數劣化。
(2)雙向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器雙向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器雙向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器 雙向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器
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如同第一部分單向傳輸反射式 C+L band 混成光纖放大器之特色，架構如圖 3，保有對 各個傳輸頻道擁有精確的色散補償、增益等化、單一波長泵激雷射光源、泵激功率分配與 殘餘功率再利用等特色，傳輸波段可拓展到 L-band+(~1610 nm)，使得傳輸頻寬可以涵蓋全 部的 C+L band；雙向傳輸的目標則是透過一對光循環器（圖 5，OC1與 OC2）搭配 C/L WDM 來引導光信號路徑；精確的色散補償模組由光纖光柵與色散補償光纖交錯組成；並且調整 光纖光柵反射率實現增益等化之目的；最後更改泵激功率分享與殘餘功率再利用的方式，
不同於以往架構[17,23-25[13]直接分配泵激功率，吾人乃搭配用反射率 99 %的泵激功率反 射元件來實現，直接調整泵激功率反射元件的反射率來分配功率，C-band 摻鉺光纖放大器 獲得穿透殘餘泵激功率，L-band 則再獲得反射殘餘功率，下行傳輸使用 C-band 光信號，上 行傳輸則為 L-band 光信號。
圖 圖 圖
圖 3 雙向傳輸架構去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器雙向傳輸架構去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器雙向傳輸架構去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器雙向傳輸架構去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器
首先分析架構中泵激光源設計，在此對於 L-band 的拉曼光纖放大器使用增益較佳的後向泵 激架構錯誤錯誤錯誤錯誤! 找不到參照來源找不到參照來源找不到參照來源找不到參照來源。。。。，如圖 4 所示，分別量測 EDFA、RFA 與混成光纖放大器 之增益，改變泵激反射元件反射率，選取增益較為平坦且較接近 20 dB 的狀態作為增益等 化前初始值，當放置於 EDF 與 DCF 間的泵激功率反射元件之反射率為 69 % 時，EDF 段 將獲得 31 % 殘餘泵激光率，其值約 45 mW，而 DCF 段則可再利用 69 % 的殘餘泵激功率，
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其值約 95.6 mW。因此當局端-20 dBm 的 C-band 光信號由多工器(MUX)耦合後，由 OC1的 埠 1 進入混成光纖放大器之後，先由 EDF 段放大後進入色散補償模組，而 C-band 光纖光 柵陣列至於圖 3 右端，標記為 FBGCi (i = 1, 2, 3, …, 13)，為 1530、 1533…1566 nm，光信 號由符合中心波長的光纖光柵反射回 DCF 段作二次色散補償，最後再由摻鉺光纖放大器作 二次增益，無論是摻鉺光纖或者是色散補償光纖皆為去回放大式架構，節省 50 %增益介質；
獲得增益與精確色散補償的光信號經 OC1埠 3 輸出由 C/L WDM 耦合進入傳輸光纖，傳輸 50 公里後，透過 OC3埠 2 傳至埠 3，C-band 光接收器接收光信號。
圖圖圖
圖 4 泵泵泵激功率反射元件之反射率與增益泵激功率反射元件之反射率與增益激功率反射元件之反射率與增益 激功率反射元件之反射率與增益
L-band 光信號則是與 C-band 光信號相異，上傳功率為 0 dBm，由 ONU 發送經 MUX 耦 合後，由 OC3埠 1 進入 50 公里單模光纖上傳至 OLT，此時 C/L WDM 將 L-band 光信號取 出，由另一光循環器 OC2之埠 1 進入混成光纖放大器，對 L-band 光信號而言，透過拉曼光 纖放大器獲得增益與精確的色散補償，光纖光柵放置於圖 5 左側，其標記為 FBGLj(j = 1, 2, 3,…, 12)，依序為 1576、1579…1609 nm，如同 C-band 光信號反射原理利用光纖光柵形成 去回放大式架構，並且節約 50 % 增益介質。最後 L-band 光信號經 OC2埠 3 輸出，直接由 光接收器接收光信號。值得注意的是，再 C-band 與 L-band 色散補償模組間存在著共同使 用的色散補償光纖，標記 DCFMid，長度為 3358 m，再者 C-band 光信號所需色散補償光纖 較 L-band 色散補償光纖長，因此圖 5 左側 FBGL1與泵激功率反射元件之間存在一段標記為 DCFend，長度為 914 m。模擬架構對於光信號增益分析結果如圖 5，FBG 反射率起始設定為
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99 %時，其增益最大差值 8 dB，經由調整反射率達增益等化目標。分別固定 C-band 與 L-band 最小增益 1539 nm 與 1579 nm 之光纖光柵反射率 99 %。
圖圖圖 5 模擬架構之增益與雜訊指數圖 模擬架構之增益與雜訊指數模擬架構之增益與雜訊指數 圖模擬架構之增益與雜訊指數 圖圖圖 6 增益等化前後之光纖光柵反射率比較增益等化前後之光纖光柵反射率比較增益等化前後之光纖光柵反射率比較增益等化前後之光纖光柵反射率比較
由模擬實驗結果分析可知，本架構成功利用波長為 1495 nm 的泵激雷射實現可雙向傳輸去 回放大式之寬頻譜混成光纖放大器，並且利用反射率為 69 % 的泵激光源反射元件分配功 率，而透過增益圖形可發現兩個頻帶各保有摻鉺光纖與拉曼光纖放大器之特性，證實設計 上達到降低 C-band 與 L-band 之光信號交互影響的目的；經過調整各個 FBG 反射率實現增 益等化，增益等化前後比較如圖 5、圖 6 所示，C-band 增益等化後約 20±0.5 dB，L-band 增 益等化後約 16.5±0.5 dB，然而雜訊指數的表現卻會因為各個反射率的改變而劣化，增益等 化後 C-band 平均雜訊指數約 5.1 dB，較未增益等化前劣化 0.4 dB，而 L-band 平均雜訊指數 約 7.8 dB，較為增益等化前劣化 1 dB；然而改變泵激雷射波長為 1495 nm 的結果，雖然將 L-band 的增益頻寬拓展至 1610 nm，卻使 L-band 在 1570 nm 附近增益值下降，但若在雙向 傳輸規劃上合理的置入 Dark Band，捨去 1570 nm 附近頻帶的傳輸，便能提昇增益等化後的 增益值，而泵激功率分配方式改變為調整泵激反射元件反射率後，C-band 摻鉺光纖放大器 無法如第一部分架構再次利用殘餘泵激功率，泵激轉換效率較低，但與第一部份架構相較 卻有較佳雜訊指數表現，由此可知適當的泵激功率可優化雜訊指數。
(3) 法拉第旋轉鏡式單縱模光纖雷射法拉第旋轉鏡式單縱模光纖雷射法拉第旋轉鏡式單縱模光纖雷射 法拉第旋轉鏡式單縱模光纖雷射
在此將使用法拉第旋轉鏡(Faraday rotator mirror, FRM)做為共振腔其中一端的反射介
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面，可以讓輸入法拉第旋轉鏡的光訊號和輸出法拉第旋轉鏡的光訊號的極化方向互相垂 直，減少光訊號在增益摻鉺光纖中互相干涉，減少多餘模態產生，並且探討以法拉第旋轉 鏡組成的光纖雷射架構的雷射輸出優劣，以及利用前述的加入極化控制器與環型子共振腔 的模態抑制架構，量測法拉第旋轉鏡式單縱模摻鉺光纖雷射的輸出效果。
理想上為了能得到較大的增益以及優良的光纖雷射輸出品質，可以讓在增益摻鉺光纖 中雙向傳輸的訊號光其極化角度互相垂直，這時雙向傳輸的光源可以視為互相獨立的，因 此可以得到較大的增益，若要達到此目標，在這邊使用法拉第旋轉鏡做為反射界面，法拉 第旋轉鏡其組成為一寬頻光纖反射鏡面(broadband fiber mirror, BFM)以及一法拉第旋轉子 (Faraday rotator)，寬頻反射鏡面可以幾乎百分之百反射入射光回共振腔，法拉第旋轉子則 可以將入射光旋轉 45 度，兩者相組成後可以讓入射光與反射光的極化角度相差 90 度。
首先，量測未加任何改善架構的光纖雷射架構圖 7(a)，其電頻譜為圖 7(b)，由圖可知，
以法拉第旋轉鏡做為反射介面的光纖雷射，其電頻譜的分布會類似週期性的分佈，這是因 為共振腔內可存在的極化狀態會被法拉第旋轉鏡歸為互相垂直的狀態，因此能降低共振腔 內多餘的模態產生，這裡電頻譜量測的解析度為 100 kHz，量測寬度固定為 1 GHz。
(a) (b) 圖圖圖圖 7(a) 法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構 法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構
(b) 未加任何改善架構下未加任何改善架構下未加任何改善架構下，未加任何改善架構下，，法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜，法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜 法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜
接著，加入極化控制器調整共振腔內的極化角度，雖然法拉第旋轉鏡可以優化共振腔 內的極化狀態，但是因為共振腔內的連接皆是以單模光纖連結，無法有效的保持共振腔內 的極化狀態穩定，因此會加入極化控制器於波長多工器與布拉格光纖光柵間，如圖 8(a)經
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過調整極化控制器後可在電頻譜上量測到圖 8(b)，其電頻譜圖形上的模態已被抑制許多。
(a)
(b) 圖圖
圖圖 8(a) 加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構 (b) 加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜 加入極化控制器之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射電頻譜
以法拉第旋轉鏡為反射介面的光纖雷射擁有較好的極化保持效果，可以降低共振腔內 的模態產生，但是要達到單縱模光纖雷射還是需要配合 2.5 節所敘述的方法，利用環型子 共振腔和吸收體架構輔助，進而發展出法拉第旋轉鏡式單縱模光纖雷射。
(3.1)環型子共振腔結構環型子共振腔結構環型子共振腔結構環型子共振腔結構：：： ：
使用子共振腔改善光纖雷射架構，如圖 9，將子共振腔放置於極化控制器和布拉格光 纖光柵之間，子共振腔的長度同樣有三種，0.17 m、0.3 m 和 0.5 m，其自由頻譜範圍分別 為 1.26 GHz、714 MHz 和 428 MHz，在電頻譜分析儀上則可以量測到 10(a)、10(b) 和 10(c)。
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圖 圖 圖
圖 9 加入極化控制器與子共振腔之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器與子共振腔之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器與子共振腔之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入極化控制器與子共振腔之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構
(a) (b)
(c) (d) 圖圖
圖圖 10(a) 加入加入加入加入 0.5 m 環型子共振腔環型子共振腔環型子共振腔環型子共振腔(b)加入加入加入 0.3 m 環型子共振腔加入 環型子共振腔環型子共振腔環型子共振腔(c)加入加入加入 0.17 m 環型子共加入 環型子共環型子共環型子共 振腔
振腔 振腔
振腔(d)加入加入加入加入 0.17 m 環型子共振腔之光纖迴路反射鏡式後向式光纖雷射電頻譜環型子共振腔之光纖迴路反射鏡式後向式光纖雷射電頻譜環型子共振腔之光纖迴路反射鏡式後向式光纖雷射電頻譜環型子共振腔之光纖迴路反射鏡式後向式光纖雷射電頻譜 圖 10(a)為加入 0.5 m 環型子共振腔在電頻譜分析儀上的量測圖形，可以觀察到在約 400 MHz 的位置有一模態產生，此位置恰好是 0.5 m 環型子共振腔其自由頻譜範圍 428 MHz 附 近，也就是指量測到的此點即為光纖雷射的第二個模態；接著，將 0.5 m 環型子共振腔置 換為 0.3 m 的環型子共振腔，其量測圖形為 10(b)，由圖可知，在將近 800 MHz 的位置可以
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量測到一模態產生，如同 0.3 m 的環型子共振腔量測圖形一樣，在 800 MHz 的位置也是因 為 0.5 m 的環型子共振腔其自由頻譜範圍 714 MHz 所導致的第二個模態；最後，使用 0.17 m 的環型子共振腔，其電頻譜圖如圖 10(c)，0.17 m 的環型子共振腔其自由頻譜範圍為 1.26 GHz，在電頻譜分析儀上量測頻寬 1 GHz 範圍內，並無顯著的模態產生，1 GHz 範圍之外 的，則因為大於光纖雷射本身的增益範圍，不會有模態產生，因此產生單縱模光纖雷射，
此時其光頻譜圖形如圖 10(d)，此時的光纖雷射輸出功率為 0.047 mW，訊雜比為 24.2 dB，
與無加入模態抑制架構的輸出功率相比下降許多，這是因為法拉第旋轉鏡會將共振腔內的 極化狀態不斷的旋轉 90 度，因此在通過極化控制器時，會被線性偏振片擋住許多功率，但 是也因為這樣能夠濾除許多不同極化狀態的模態。
(3.2)吸收體型架構吸收體型架構吸收體型架構吸收體型架構
吸收體型架構是在極化控制器和布拉格光纖光柵之間置入一段不會被泵激光源激發的 摻鉺光纖，其架構如圖 11，往布拉格光纖光柵方向的訊號光，在經過極化控制器時，會因 為線性偏振片的關係，使其極化變成線性偏振，因此在經過摻鉺光纖吸收體時，能夠加深 干涉效應，使得模態抑制的效果越加明顯。
圖 圖圖
圖 11 加入吸收體之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入吸收體之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構加入吸收體之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構 加入吸收體之法拉第旋轉鏡式後向式光纖雷射架構
在這裡所使用的摻鉺光纖吸收體是使用低摻雜的摻鉺光纖，其在 1530 nm 的吸收係數 同樣是 6.24 dB/m，長度有 1.5 m、1 m 和 0.5 m，增益摻鉺光纖則是使用在 1530 nm 的吸收 係數是 18.79 dB/m，長度為 3 m，摻雜濃度的不同是因為希望摻鉺光纖吸收體對雷射輸出 功率的影響減小，在能夠對模態抑制有所效果的情況下，選擇低摻雜的摻鉺光纖可以降低 對雷射輸出功率的影響，實驗中將置換不同長度的摻鉺光纖吸收體，其電頻譜圖形如圖 12(a)、12(b)和 12(c)。
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(a) (b)
(c) (d) 圖
圖 圖
圖 12(a)加入加入加入 1.5 m 吸收體加入 吸收體吸收體(b)加入吸收體 加入加入加入 1 m 吸收體圖吸收體圖吸收體圖吸收體圖(c)加入加入加入加入 0.5 m 吸收體之光纖雷射電頻譜吸收體之光纖雷射電頻譜吸收體之光纖雷射電頻譜吸收體之光纖雷射電頻譜(d) 加入加入
加入加入 0.5 m 吸收體之法拉第旋轉鏡式光纖雷射量測光頻譜吸收體之法拉第旋轉鏡式光纖雷射量測光頻譜吸收體之法拉第旋轉鏡式光纖雷射量測光頻譜吸收體之法拉第旋轉鏡式光纖雷射量測光頻譜
由 12(a)，12(b) 和 12(c)可知，1.5 m、1 m 和 0.5 m 的摻鉺光纖吸收體在配合法拉第旋 轉鏡下皆可以達到單縱模光纖雷射的效果，其中 0.5 m 的摻鉺光纖吸收體擁有較大的輸出 功率，因此為了減低摻鉺光纖吸收體對雷射輸出功率的影響，會選擇 0.5 m 的低摻雜摻鉺 光纖做為吸收體，圖 12(d)是 0.5 m 的光纖雷射光頻譜圖。
結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論：：：：
在兩種光纖模組 (主動元件)研究上，成功達成下列目標：
(1) 光纖放大器光纖放大器光纖放大器光纖放大器
利用單一波長的泵激雷射光源達到 20 dB 的增益；(2)去回放大式架構減少 50 % 增益光
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纖使用量；(3)精確的色散補償則透過 FBG 寫製在正確的位置上達成；(4)減少 C-band 與 L-band 光信號互相干擾：其一為利用 C/L WDM 令 C-band 和 L-band 光信號以不同路 徑進入反射式混成光纖放大器，由於兩個頻帶的光纖光柵寫製在色散補償光纖兩側，而 且 L-band 光信號並不行經摻鉺光纖，能保有拉曼光纖放大器本質，其二則是利用 SPF 壓抑 L-band 光信號進入摻鉺光纖內，使得 C-band 與 L-band 光信號不互相干擾，結果 如圖 2(a)所示，C-band 光信號增益圖形近似於摻鉺光纖放大器特色；(5)增益等化：調 整 FBG 反射率，使得各個頻道增益為 20 dB；(6)低雜訊指數：透過適當的泵激功率分 配可獲得較佳的雜訊指數，唯有調整 FBG 反射率時會造成雜訊指數劣化。我們也成功 利用波長為 1495 nm 的泵激雷射實現可雙向傳輸去回放大式之寬頻譜混成光纖放大 器，並且利用反射率為 69 % 的泵激光源反射元件分配功率，而透過增益圖形可發現兩 個頻帶各保有摻鉺光纖與拉曼光纖放大器之特性，證實設計上達到降低 C-band 與 L-band 之光信號交互影響的目的；經過調整各個 FBG 反射率實現增益等化，增益等化前後比 較如圖 5、圖 6 所示，C-band 增益等化後約 20±0.5 dB，L-band 增益等化後約 16.5±0.5 dB，
然而雜訊指數的表現卻會因為各個反射率的改變而裂化，增益等化後 C-band 平均雜訊 指數約 5.1 dB，較未增益等化前裂化 0.4 dB，而 L-band 平均雜訊指數約 7.8 dB，較為 增益等化前裂化 1 dB；然而改變泵激雷射波長為 1495 nm 的結果，雖然將 L-band 的增 益頻寬拓展至 1610 nm，卻使 L-band 在 1570 nm 附近增益值下降，但若在雙向傳輸規劃 上合理的置入 Dark Band，捨去 1570 nm 附近頻帶的傳輸，便能提昇增益等化後的增益 值。
(2) 光纖雷射光纖雷射光纖雷射光纖雷射
使用法拉第旋轉鏡作為共振腔的其中一端反射界面，其可以有效的優化共振腔內的極 化狀態，使得其光纖雷射的模態產生減少，之後配合模態抑制架構，在環型子共振腔方面，
可以觀察到不同長度的環型子共振腔的不同自由頻譜範圍，而 0.17 m 的環型子共振腔長度 恰可以使第二模態的產生在光纖雷射的增益範圍外，因此可以得到單縱模光纖雷射的輸 出；在摻鉺光纖吸收體方面，0.5 m 的摻鉺光纖也已足以濾除殘餘的模態，使得光纖雷射的 輸出為單縱模的形式，但是在另一方面，使用法拉第旋轉鏡也有其缺點，因為提高共振腔
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內的極化穩定性的關係，光訊號經過線性偏振片時會濾除掉許多模態，因此使得光纖雷射 的輸出功率大幅下降；表 1 是在法拉第旋轉鏡架構下，使用不同模態抑制架構的單縱模光 纖雷射詳細數據。
FRM type
pumping scheme backward pumping
pumping power 50 mW@1480 nm
FBG reflectivity 50%
gain EDF length 3 m
mode suppress scheme sub ring cavity EDF absorber
EDF absorber length (m) none 0.5
SRC length (m) 0.17 none
output power (mW) 0.04 0.08
SNR (dB) 24.2 25.4
表 表 表
表 1 法拉第旋轉鏡式不同模態抑制架構之單縱模光纖雷射詳細數據法拉第旋轉鏡式不同模態抑制架構之單縱模光纖雷射詳細數據法拉第旋轉鏡式不同模態抑制架構之單縱模光纖雷射詳細數據法拉第旋轉鏡式不同模態抑制架構之單縱模光纖雷射詳細數據
研究心得與建議 研究心得與建議 研究心得與建議 研究心得與建議
1. 本研究所使用之電頻譜分析儀，尚無法精準的量測實質光纖雷射線寬，需添購更加精確 雷射頻譜量測儀器。
2. 單縱模光纖雷射對於極化控制十分敏感，需要加以控制極化的方向。往後可在架構內加 入極化器控制器，或者法拉第旋轉器觀察其效應。或加入極化保持光纖於關鍵位置以降 低雷射極化問題。目前研究所使用的極化控制器為手控調整，可使用電控的極化控制器 增加調整的精細度。
3. 光纖放大器進行實驗與傳輸誤碼率驗證其特性，讓理論於實務配合得更好。
4. 未來可使用光學設計軟體來輔助設計，模擬最佳化的參數架構，例如優化光纖放大器考 慮到四參數包含光纖、數值孔徑、損耗、泵激功率轉換效率分別設為 a, b, c, d 參數代號，
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在執行模擬時逐一考慮最佳化個別參數，當然何種參數先考慮?或者是否參數之間存在 多重相依關係，則須待計畫進行時才能有更清楚輪廓。
本本
本本計畫發表計畫發表計畫發表計畫發表之之之之 SCI 論文論文論文論文
1. Mars N. Guo, S.-K. Liaw, Perry P. Shum, N.-K. Chen, H.-K. Hung and C. Lin,
“Single-wavelength-pump-based bi-directional hybrid fiber amplifier for bi-directional local area network application”, Opt. Commun. (2010), in press. Manuscript Number:
BE-1860R1
2. S.-K. Liaw, S. Wang, C.S. Shin, N. K. Chen, K. C. Hus, A. Manshina, Y.Tver’yanovich, C.-F. Su, and L. K. Wang, “Single-longitudinal-mode linear-cavity fiber laser using multiple subring-cavities", Laser Physics, vol. 20, no. 7, pp. 1608–1611, 2010,.
3. N.K. Chen, Z.Z. Feng, and S.K. Liaw, “All-fiber pulsewidth tunable actively Q-switched erbium fiber laser using abrupt-tapered Mach-Zehnder block filter”, Laser Phys. Lett. 7, no. 5, pp. 363–366,2010.
4. N.-K. Chen, J.-W. Lin, F.-Z. Liu and S.-K. Liaw, “Wavelength-tunable Er-doped fs mode-locked fiber laser using short-pass edge filters”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol.
22, no. 10, pp. 700-702, 2010.
5. C.-F. Su, L. K. Wang, S.-K. Liaw and Y.-S. Huang, “A colorless WDM-PON system using multi-wavelength light sources for optically-injection-locked transmitters”, Optical Fiber Technology, vol. 16, pp. 1–4, 2010.
6. S.-K. Liaw, L. Dou, A Xu and Y.-S. Huang, “Optimally gain-flattened and dispersion-managed C + L-band hybrid amplifier using a single-wavelength pump laser”, Opt. Commun., vol. 282, pp. 4087–4090, 2009.
本 本 本
本計畫計畫計畫計畫發表發表發表發表之之之之國際會議論文國際會議論文國際會議論文國際會議論文
1. S.-K. Liaw et. al., “Dispersion management and gain flattened for a bridge-type hybrid amplifiers in a pumping recycling mechanism”, inivted talk, 2010 Intl’ workshop for Fiber Optics at Access Networks (FOAN), Moscow, Russia. Also appears in IEEE Explore 2. S. K. Liaw, S. Wang, C.S. Shin, Y. L. Yu, N. K. Chen, K. C. Hus, A. Manshina, and Y.
Tver’yanovich, “Single-frequency operation linear-cavity fiber laser using compound mode filters”, paper no. 8P-26, 15th OptoElectronics and Communications Conference, July 5-9, 2010, Sapporo, Japan.
3. S. K. Liaw, K. S. Hsu, H. Wang, N. K. Chen, K. C. Hsu, J. C. Dung and P. Shum Perry,
“Subring-based single-frequency fiber laser using Faraday rotate mirror as rear cavity end”, paper no. WO 4, to be presented in 2010 IEEE Photonics Society annual meeting, November 2010 , Denver, CO, USA.
4. M. N. Guo, S.-K. Liaw, P P Shum, N.-K Chen and C. Lin, “Bidirectional C+L band hybrid amplifier for 16-Channel WDM PON Transmission at 10Gb/s”, paper no. 7P-03, 15th OptoElectronics and Communications Conference, July 5-9, 2010, Sapporo, Japan 5. S.-K. Liaw, O. Seung, C.-L. Lai, Y.-L. Yu, K.-C. Hsu and N.-K. Chen, "L band tunable
fiber laser based on mirror reflector and tunable fiber gratings", CLEO/PR 2009, Shanghai, China, Paper Control Number: 1091.
6. S.-K. Liaw, Y.-S. Huang, Y.-L. Yu, N.-K. Chen and K.-C. Hsu, "Dispersion management and gain flattened a hybrid EDFA/RFA in pumping recycling mechanism", CLEO/PR
21
2009, Paper Control Number:1093.
衍生 衍生 衍生
衍生之之之之碩士碩士碩士碩士論文論文論文論文
1. 王祥, “線性型單縱模光纖雷射的研製,” 國立台灣科技大學碩士論文, 2010.01
2. 許凱翔, “C 頻帶波長可調線性型單縱模光纖雷射之研製,” 國立台灣科技大學碩士論文, 2010.06
3. 洪信凱,” 去回放大式(round-trip amplified) 之寬頻譜混成光纖放大器之研製” 國立台 灣科技大學碩士論文, 2010.06
計畫期間申請或獲證 計畫期間申請或獲證 計畫期間申請或獲證 計畫期間申請或獲證專利專利專利專利
1. G. Lai, S.-K. Liaw and Y.T. Lin, “Detection system for identifying faults in passive optical networks”, US no. 7800744 B2, 21 Sep. 2010
2. S.-K. Liaw, G. S. Jhong and C. A. Chen, “Broadband fiber laser—part 1 ”, US paten no.7616667 獲證
3.
廖顯奎, 王祥 “單縱模線性共振腔光纖雷射裝置” 中華民國專利申請中, 申請 案號 P2504TW-40.
計畫成果自評部份 計畫成果自評部份 計畫成果自評部份 計畫成果自評部份
(請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值、是否 適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。)
本計劃一年執行期間與共同主持人一起發表光纖放大器與光纖雷射 SCI 期刊 6 篇，包含優 質期刊之 IEEE Photonics Technology Letters, Laser Physics Letters。且發表 6 篇國際會議論 文，具有很好學術價值。申請中華民國專利 1 件並獲得相關之美國專利(相關) 2 件兼具應用 價值。並且指導三位碩士生畢業，以上主題皆與原計畫主題分波多工被動光網路關鍵光纖 模組之研發極為相符，預期達成目標也實現甚至超前若干，並且於 2010 年 8 月赴新加坡南 洋理工大學(全球百大, 工程前 30 名) 短期研究 (詳見赴國外出差或研習心得報告)，衡量以 上成果，本案執行成效自評為優等。
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
分波多工被動光網路關鍵光纖模組之研發
計畫編號：NSC 98-2221-E-011-017
執行期間：98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日
赴國外出差或研習心得報告 赴國外出差或研習心得報告 赴國外出差或研習心得報告 赴國外出差或研習心得報告
出差人：廖顯奎 教授
行程 行程
行程行程: 2009 年 8 月 10 日到 9 月 1 日間約 3 個禮拜，筆者到新加坡南洋理工大學進行短期研究，。
這次邀我訪問的是新加坡南洋理工大學網絡科技研究中心(NTRC)主任沈平教授，NTRC 引以 自豪研究和開發為光通信技術，剛好是筆者的興趣所在，雖然訪問時間不長卻不少互動與體會，
也有學術合作。本次短期訪問心得包括參訪實驗室、學術合作議題與訪問心得等，分述於下:
一 一
一一. 參訪實驗室參訪實驗室參訪實驗室參訪實驗室:
新加坡南洋理工大學網絡科技研究中心隸屬於該校電資學院，該中心約有 50 位師生，設備也 很具規模，研究方向包括資訊高速公路和全球網路的研究項目、與產業夥伴和在研究、設計和 發展並與其他研究中心合作、研究網絡和通訊技術且與產業發展密切、並作產業之技術諮詢顧 問。8/17 NTRC 主任沈平教授親自帶我參觀其中之若干如網路實驗室、微波與光子實驗室、下 一代光學技術實驗室及光纖光柵製造實驗室等。準分子雷射如圖 1(a)乃製造光纖光柵，包括 Bragg 光纖光柵(FBG)和長期的光纖光柵(LPG)。由程式控制的光纖光柵製造系統，可製作各種 類型的光柵，值得注意的是其中包括許多複雜結構，如唧啾光纖光柵和相位位移光纖，製造好 的光柵與光纖連接時要使用光纖熔接系統如圖 1 (b)。此外 NTRC 還有各種專利鍍膜技術。
其它技術令人印象深刻的還有：
1. Channel Terabit WDM 網絡的性能監測網絡的性能監測網絡的性能監測: 根據信號眼圖設計一個誤碼率監視技術，也提出網絡的性能監測
可估計色散作用的一個新技術光學管道，二個 RF 信號增加到基帶資料信號作為發射機的試驗 訊號，在進入感測器前由啁啾光柵或是分散補償來補償色散。然後可根據二 RF 比率的積累 CD 值。由實驗和模擬結果表示，這個方法可達到高敏感性與較大的監視範圍。
圖 1 (a)準分子雷射, (b)光纖熔接系統
2. 光子晶體光纖設備光子晶體光纖設備光子晶體光纖設備: 除了 photonic crystal fiber (PCF) 濾波器與極化器之研就外，還成功利光子晶體光纖設備 用 PCF 製作光耦合器。應用上有溫度 PCF sensor、wide-passband、temperature-insensitive、
PCF 相位位移光纖等。
3. 非線性光學光纖非線性光學光纖非線性光學光纖: 在光纖的偏振效應在光纖通信系統和 sensor 的系統扮演重要角色。集中非線性光學光纖 於偏振效應的一般理論描述、測量和極化方式分散作用(PMD)傳染媒介即時監視和二次光折射、
極化相依損失(PDL)通過使用極化光時域域反射儀(POTDR)，和極化模態色散(PMD)的分佈測 量。PMD & PDL 模擬器和 PMD & PDL 補償器也開發出來。此外通過考慮偏振效應用於纖維 光子的微波研究。提出使用 Hi-Bi fiber 和簡單的光子微波濾波器修正不同群速延遲(DGD)，
提供可調的 DGD。
二 二 二
二、、、、學術合作議題學術合作議題學術合作議題學術合作議題::
網路研究中心主任派遣一位博士生郭寧同學跟我作研究，我們是探討關於雙向光纖放大器議題
並應用於區域網路說明如下: 雙向傳輸去回式混成摻鉺光纖放大器/拉曼光纖放大器之研製，
架構如圖 2，保有對各傳輸頻道擁有精確的色散補償、增益等化、單一波長泵激雷射光源、泵 激功率分配與殘餘功率再利用等特色，傳輸波段可拓展到 L-band (~1610 nm)，使得傳輸頻寬 可涵蓋全部的 C+L band；雙向傳輸的目標則是透過一對光循環器（OC1與 OC2）搭配 C/L WDM 來引導光信號路徑；精確的色散補償模組由光纖光柵與色散補償光纖交錯組成；並且調 整光纖光柵反射率以實現增益等化之目的；利用泵激功率分配與殘餘功率再利用的方式，或直 接分配泵激功率搭配用反射率 99 %的泵激功率與反射光元件來實現，或調整泵激功率反射元 件的反射率來分配功率都可達到調整多波長相對功率目的，C-band 摻鉺光纖放大器獲得穿透 殘餘泵激功率，L-band 則獲得反射殘餘功率，下行傳輸使用 C-band 光信號，上行傳輸則為 L-band 光信號。
圖 2 雙向傳輸架構去回放大式之寬頻譜混成光纖放大器
在此對於 L-band 的拉曼光纖放大器使用極化相關增益較小的後向泵激架構，我們分別量測 EDFA、RFA 與混成光纖放大器之增益，改變光柵元件反射率，選取增益較為平坦且較接近 20 dB 的狀態作為增益等化前初始值，當放置於 EDF 與 DCF 間的泵激功率反射元件之反射率為 69 % 時，EDF 段將獲得 31 % 殘餘泵激光率其值約 45 mW，而 DCF 段則可再利用 69 % 的
殘餘泵激功率其值約 95.6 mW。因此當局端-20 dBm 的 C-band 光信號由多工器(MUX)耦合後，
由 OC1 的埠 1 進入混成光纖放大器之後，先由 EDF 段放大後進入色散補償模組，而 C-band 光 纖光柵陣列置於圖 2 右端，標記為 FBGci (i = 1, 2, 3, …, 13)，為 1530、 1533…1566 nm，光信 號由符合中心波長的光纖光柵反射回 DCF 作二次色散補償，最後再由摻鉺光纖放大器作第二 次增益，無論是摻鉺光纖或是色散補償光纖皆為去回式光放大架構，可節省 50 %增益介質；
獲得增益與精確色散補償的光信號經 OC1 埠 3 輸出由 C/L WDM 耦合進入傳輸光纖，傳輸 50 公里後，透過 OC3 埠 2 傳至埠 3，C-band 光接收器接收光信號。
L-band 光信號則與 C-band 光信號相異，上傳功率為 0 dBm，由 ONU 發送經 MUX 耦合後，
由 OC3 埠 1 進入 50 公里單模光纖上傳至 OLT，此時 C/L WDM 將 L-band 光信號取出，由 另一光循環器 OC2 之埠 1 進入混成光纖放大器，對 L-band 光信號而言，透過拉曼光纖放大 器獲得增益與精確的色散補償，光纖光柵放置於圖 2 左側，其標記為 FBGLj(j = 1, 2, 3,…, 12)，
依序為 1576、1579…1609 nm，如同 C-band 光信號反射原理利用光纖光柵形成去回放大式 架構，並且節約 50 % 增益介質。最後 L-band 光信號經 OC2 埠 3 輸出，直接由光接收器接收 光信號。值得注意的是，再 C-band 與 L-band 色散補償模組間共同使用之色散補償光纖標記 DCFMid長度為 3358 m，再者 C-band 光信號所需色散補償光纖較 L-band 色散補償光纖長，
因此圖 2 左側 FBGL1與泵激功率反射元件間存在一段標記為 DCFend，長度為 914 m。模擬架 構對於光信號增益分析結果如圖 3(a)(b)，FBG 反射率起始設定為 99 %時其增益最大差值為 8 dB，經由調整反射率達增益等化目標。分別固定 C-band 與 L-band 最小增益波長為 1539 nm 與 1579 nm，且光纖光柵之反射率為 99 %。
由模擬實驗結果分析可知，本架構成功利用波長為 1495 nm 的泵激雷射實現可雙向傳輸去回 放大式之寬頻譜混成光纖放大器，並且利用反射率為 69 % 的泵激光源反射元件分配功率，而 透過增益圖形可發現兩個頻帶各保有摻鉺光纖與拉曼光纖放大器之特性，證實設計上達到降低 C-band 與 L-band 之光信號交互影響的目的，經過調整各個 FBG 反射率實現增益等化，增益 等化前後比較如圖 3(a)(b)，C-band 增益等化後約 20±0.5 dB，L-band 增益等化後約 16.5±0.5 dB，
然而雜訊指數的表現卻會因為各個反射率的改變而裂化，增益等化後 C-band 平均雜訊指數約 5.1 dB，較未增益等化前裂化 0.4 dB，而 L-band 平均雜訊指數約 7.8 dB，較為增益等化前裂
化 1 dB；然而改變泵激雷射波長為 1495 nm 的結果，雖然將 L-band 的增益頻寬拓展至 1610 nm，
卻使 L-band 在 1570 nm 附近增益值下降，但若在雙向傳輸規劃上合理的置入 Dark Band，捨 去 1570 nm 附近頻帶的傳輸，便能提昇增益等化後的增益值，而泵激功率分配方式改變為調 整泵激反射元件反射率後，C-band 摻鉺光纖放大器無法如第一部分架構再次利用殘餘泵激功 率，泵激轉換效率較低，但與第一部份架構相較卻有較佳雜訊指數表現，由此可知適當的泵激 功率可優化雜訊指數，
圖 3(a) 模擬架構之增益與雜訊指數, (b)增益等化前後之光柵反射率
本研究內容後來成功投稿 SCI 期刊並獲接受! 短期訪問成果如下:
SCI papers
1. Mars N. Guo, S.-K. Liaw, Perry P. Shum, N.-K. Chen, H.-K. Hung and C. Lin,
“Single-wavelength-pump-based bi-directional hybrid fiber amplifier for bi-directional local area network application”, Opt. Commun. (2010), in press.
Manuscript Number: BE-1860R1
International Conference Papers
1. S. K. Liaw, K. S. Hsu, H. Wang, N. K. Chen, K. C. Hsu, J. C. Dung and P. Shum Perry, “Subring-based single-frequency fiber laser using Faraday rotate mirror as rear cavity end”, paper no. WO 4, to be presented in 2010 IEEE Photonics Society
annual meeting, November 2010 , Denver, CO, USA.
2. M. N. Guo, S.-K. Liaw, P P Shum, N.-K Chen and C. Lin, “Bidirectional C+L band hybrid amplifier for 16-Channel WDM PON Transmission at 10Gb/s”, paper no.
7P-03, 15th OptoElectronics and Communications Conference, July 5-9, 2010, Sapporo, Japan
圖 4(a). 短期訪問結束回台灣前與沈平教授 group 師生合照
三 三 三
三、、、、訪問心得訪問心得訪問心得訪問心得:
新加坡人口 450 萬僅有 3 所大學，平均 150 萬人才一所大學，讓每位師生享受更多教育與研究 資源。南洋理工大學（NTU）培養來自世界各地學生，學生主要來自亞洲各地。南洋理工大學 有 4 個學院，這 4 個學院由 12 個系所組成。其中理學院在新加坡的生命科學及科學方面處於 領先的地位。原因該是政府教育資金投資在許多研究機構和中心，南洋理工大學與世界上許多 機構有合作夥伴關係。一些著名夥伴如: 麻省理工、史丹福大學、康奈爾大學、加州理工學院、
西雅圖華盛頓大學、卡內基梅隆大學、北京大學、劍橋大學等。高等研究所的設立是南洋理工 大學邁向卓越科研大學的重要里程碑。該校不惜鉅資禮聘 11 位諾貝爾獎得主及一位菲爾茲獎 得主出任研究所的國際顧問團顧問，並定期邀請諾貝爾獎得主以及科學領域的權威學者前來授 課，與師生交流切磋，實為難得。來自 40 多個國家的 2500 名優秀教職及科研人員，形成雄厚 的師資力量，因為豐富多元的教學及研究經驗，與前瞻之國際視野和發展前景，南洋理工榮登
2006 年英國《泰晤士高等教育增刊》全球科技大學前 20 名。2007 年泰晤士教育世界大學排名，
該校 69（整體）；25（工程與信息科技）。2008 年名列英國《泰晤士報高等教育專刊》全球頂
尖科技大學排名前 30 名，值得國內之大學院校學習。訪問結束四個月台科大舉辦國際會議也 邀請網絡科技研究中心(NTRC)主任沈平教授來訪，並於光電中心演講對師生演講。
新加坡土地僅是台灣 1/6 約一個台北市大小。但其國際化程度遠超過台灣的大學，吸收世界各 地優秀學生，包括大陸優秀學生也鼓勵優秀人才移民到新加坡。採行英語與華語之雙語政策所 以很國際化，我想值得台灣學習!
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2010/11/25
國科會補助計畫
計畫名稱: 分波多工被動光網路關鍵光纖模組(波長可調雷射與混成光纖放大器)之研發 計畫主持人: 廖顯奎
計畫編號: 98-2221-E-011-017- 學門領域: 光纖通訊與波導光學
無研發成果推廣資料
98 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：廖顯奎 計畫編號：98-2221-E-011-017-
計畫名稱：分波多工被動光網路關鍵光纖模組(波長可調雷射與混成光纖放大器)之研發
量化
成果項目
實際已達成數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比
單位
備 註
（ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...等）
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告
0 0 100%
研討會論文 5 5 100%
篇 其中 2 篇為兩個 國 科 會 計 畫 共 同 成果
論文著作
專書 0 0 100%
申請中件數 1 1 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 4 4 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 6 6 75%
其中 3 篇為兩個 國 科 會 計 畫 共 同 成果
研究報告/技術報告
0 0 100%
研討會論文 6 6 83%
篇
其中 2 篇為兩個 國 科 會 計 畫 共 同 成果
論文著作
專書 0 0 0% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 1 1 100% 件 之 前 國 科 會 計 畫 衍 生 於 今 年 獲 證 書
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國外
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 ( 無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
1 受邀寫 book chapter 'Advanced in Optical Amplifiers', 即將於歐洲出 版 (研究成果國際影響力)
2.獲得牛津大學工程科學系同意休假研究, 從事光通訊相關研究 (重要國際合 作)
3.執行經濟部光網路議題計畫,輔導企業執行中 (協助產業技術發展)
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性)
0
課程/模組
0
電腦及網路系統或工具
0
教材
0
舉辦之活動/競賽
0
研討會/工作坊
0
電子報、網站
0
科 教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數
