行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
光纖光柵之特性設計、開發與應用(1/2) 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2622-E-011-014-CC2
執 行 期 間 ： 100 年 06 月 01 日至 101 年 08 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 ： 單秋成
公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，研究成果報告(精簡版)1 年後可公開查詢
中 華 民 國 101 年 11 月 19 日
中 文 摘 要 ： 本計畫利用光纖光柵搭配相關光元件，設計出雙向光信號塞 取多工器，並分析探討雙向光信號塞取多工器之傳輸特性。
首先我們提出若干種雙向光信號塞取多工器之光路架構，並 分析各架構之光損失問題。
溫度補償光纖光柵之溫度補償材料之選擇，實驗室是採用連 續纖維強化高分子複合材料單層片，因其複合材料之不同方 向的熱膨脹係數有所差異，所以利用不同疊層方向以及疊層 數量，產生一負的熱膨脹係數，若設計得當的話，其負的熱 膨脹係數會和光纖光柵的熱膨脹係數相等，如此便能達到溫 度補償的效果。接著將光纖光柵黏貼到此複合材料上，進而 達到溫度補償的效果，而補償後的光纖光柵，其溫度的飄移 量由 8 pm/℃降至 0.7 pm/℃，可以顯見有很好的溫度補償效 果。
至於 OADM 部分，我們設計並量測不同架構之光頻譜，實 驗成果如下：雙向光信號塞取多工器架構-1 對取出、穿透及 塞入信號造成的插入損失分別為 4.88 dB、8.24 dB 及 6.31 dB。雙向光信號塞取多工器架構-2 對取出、穿透及塞入信號 造成的插入損失分別為 4.58 dB、4.46 dB 及 4.22 dB。
中文關鍵詞： 光纖光柵, 光信號塞取多工機, 光纖網路
英 文 摘 要 ： The project mainly focuses on the design of bidirectional optical add/drop multiplexers (Bi- OADMs) based on fiber Bragg gratings (FBGs) and some related optical components. We analyzed their
characteristics in lightwave transmission. The issue of insertion loss and switching time for this Bi- OADMs were also discussed.
Regarding the experimental results, we measured the optical spectra and bit error rate (BER)
performances of these four kinds of proposed Bi-OADM modules. The insertion loss of Bi-OAMD at the
dropped, passed-through and added channels are 4.88-, 8.24- and 6.31 dB, respectively. This Bi-OADM is potential to be commercialized.
英文關鍵詞： Fiber Bragg grating, OADM, optical network
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告 行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告 行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告 行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告
計畫名稱 計畫名稱 計畫名稱
計畫名稱：：：：光纖光柵之特性設計光纖光柵之特性設計光纖光柵之特性設計光纖光柵之特性設計、、、開發與應用、開發與應用開發與應用(1/2) 開發與應用
計畫類別：□ 先導型 ■ 開發型 □ 技術及知識應用型 計畫編號：NSC 100-2622-E-011-014-CC2
執行期間：2011 年 06 月 01 日至 2012 年 08 月 31 日 執行單位：國立台灣科技大學 電子工程系
計畫主持人：廖顯奎 教授
共同主持人：單秋成 教授 (台大)
計畫參與人員：游易霖,盧彥宏,紀紹玄,范錦程
研究摘要 研究摘要
研究摘要研究摘要(500 字以內字以內字以內字以內)：：：：
本計畫致力於研究雙向光纖放大器模組，設計使用單一波長泵激雷射、提升泵激功率 的使用與殘餘功率的覆用。主要內容分為三部分：
第一部分 第一部分
第一部分第一部分為 C+L band 雙向摻鉺光纖放大器，利用單一波長泵激雷射將功率分配 30 %給 予 C-band 和 70 % 給予 L-band，並且製作反射率為 99 %之布拉格光纖光柵作為泵激光 源反射元件，將 C-band 尚有的泵激殘餘功率再次反射回摻鉺光纖中利用，使得 C-band 平均增益提高。
第二部分 第二部分 第二部分
第二部分為雙向殘餘功率覆用之混合型光纖放大器，設計為並聯式架構，其架構能減 少 C-band 摻鉺光纖放大器被 L-band 頻道影響而降低光訊號增益，為了提升泵激功率的 使用，將全部泵激功率皆供給拉曼光纖放大器，而此時尚有 54.88 mW 之泵激殘餘功率，
製作反射率為 38 %之布拉格光纖光柵作為泵激光源反射元件，將 38 %之泵激光源反射 回拉曼光纖放大器中，其餘之 62%泵激光源將穿透至摻鉺光纖中進行放大，藉由布拉 格光纖光柵調整反射率為 38%，使得 C-band 摻鉺光纖放大器與 L-band 拉曼光纖放大 器在輸入功率為-20 dBm 時，平均增益較為平坦。
第三部分第三部分
第三部分第三部分為雙向光纖放大器架構傳輸量測，透過分別傳輸 50 km、75 km 之單模光纖，
驗證經過放大的光訊號傳輸品質並無劣化；然而雙向混合型光纖放大器之 C-band 與 L-band 訊號品質相差極大，因此將加入 11 km 色散補償光纖於 C-band 摻鉺光纖放大器 中，使訊號獲得色散補償，降低功率償付值。本論文透過分析光纖放大器的各種放大 特性與實際量測，成功實現殘餘功率覆用之雙向傳輸光纖放大器，未來可能會廣泛應 用於光通訊及 WDM 系統中。
人才培育成果說明 人才培育成果說明 人才培育成果說明 人才培育成果說明：：： ：
(1)本計畫進行兩種混成光纖放大器之設計分析與量測, 過程也進行各式光纖光柵之特 性分析與使用,投稿內容不但刊登於高 impact factor 期刊 Laser Physics Letters 與 IEEE 相關 conference, 且著手申請專利一件, 可說兼具技術內容與創新。
(2)過程中之培養學生學生學生學生 (含一博士生與三位碩士生)光纖元件之採購與驗收, 作實驗之態 度與研究精神, 光纖模組於測試平台之檢測,混成光纖放大器(包含雜訊指數、增益、色 散…)，並提出改善方案, 以理論及實務並重培養人才，有助於國內光纖通信與光纖檢 測之發展.
(3)本研究有助於了解光纖模原理與特性，進而尋求最佳化與商品化機會
技術研發成果說明 技術研發成果說明 技術研發成果說明 技術研發成果說明：：： ：
本計畫開發雙向傳輸之三種光纖放大器，利用光循環器將 C-band 與 L-band 傳輸不同方 向，利用光耦合器分配給予 C-band 與 L-band 之泵激功率比率為 3：7，即給予 C-band 泵激功率為 60 mW、L-band 泵激功率為 140 mW。透過實驗量測可得知 C-band 波段尚 有 14.6 mW 之泵激殘餘功率，製作反射率為 99 %之布拉格光纖光柵作為泵激光源反射 元件，將 C-band 尚有的 14.6 mW 泵激殘餘功率再度反射回摻鉺光纖中利用，經由此方 法得使 C-band 平均增益上升約 0.9 dB。接著以此架構為基礎，設計為並聯式之雙向混 合型光纖放大器，C-band 放大依然使用摻鉺光纖放大機制，而 L-band 改選用拉曼光纖 放大器，將泵激光源由 1480 nm 置換成 1495 nm，使得 L-band 能拓展延伸至 1610 nm，
由於拉曼光纖放大器需要較大的泵激功率，因此將改變功率分配為 1：9，C-band 摻鉺
光纖放大器之泵激功率為 50 mW，L-band 拉曼光纖放大器之泵激功率為 450 mW，然 而此種方式會造成 C-band 與 L-band 平均增益不平坦。因此將改良架構，除去光耦合器，
設計將全部之泵激功率 500 mW 皆供給拉曼光纖放大器，而此時尚有 54.88 mW 之泵激 殘餘功率，製作反射率為 38 %之布拉格光纖光柵作為泵激光源反射元件，將 38 %之泵 激光源反射回拉曼光纖放大器中，其餘之 62 %泵激光源將穿透至摻鉺光纖中進行放 大，藉由此布拉格光纖光柵調整反射率，使得 C-band 與 L-band 平均增益較為平坦。
針對所設計之架構實際傳輸量測，探討殘餘功率覆用之雙向光纖放大器做傳輸量 測。透過單、雙向傳輸可得到傳輸 50 km 單模光纖，C-band 訊號功率償付值為 0.41、
0.51 dB，L-band 訊號功率償付值為 0.36、0.41 dB，傳輸 75 km 單模光纖之後，C-band 訊號功率償付值為 0.75、0.81 dB，L-band 訊號功率償付值為 0.75、0.80 dB。再來討論 雙向混合型光纖放大器，透過單、雙向傳輸可得到傳輸 50 km，C-band 訊號功率償付值 為 0.33、0.38 dB，L-band 訊號功率償付值為 0.08、0.12 dB，傳輸 75 km 之後，C-band 訊號功率償付值為 0.83、0.88 dB，L-band 訊號功率償付值為 0.71、0.77 dB，透過此量 測可得知此架構雙向訊號傳輸並不會影響訊號品質；然而雙向混合型光纖放大器之 C-band 與 L-band 訊號相差極大，因此將 C-band 部分加入色散補償光纖，使訊號作色 散補償，再由實際雙向傳輸量測，可以得到傳輸 50 km 時，C-band 訊號功率償付值為 0.04 dB，傳輸 75 km 之後，償付值為 0.59 dB，透過加入色散補償光纖可使 C-band 訊 號與 L-band 訊號差異不會太大。
技術特點說明 技術特點說明 技術特點說明 技術特點說明：：： ：
本計畫透過分析光纖放大器的各種放大特性與實際量測，並加入色散補償光纖之 後，成功實現具有雙向傳輸之光纖放大器。所使用之光纖元組件都是自行開發或者是 輕易可以買得到，加入精心設計之光路後就可以變成具競爭性之商品。在目前的光纖 通訊系統中，各式各樣的光纖放大器技術被陸續發表出來，如摻鉺光纖放大器、拉曼 光纖放大器或者是混合型光纖放大器等。如果要設計將殘餘功率再次回收覆用，則需 要以泵激光源反射元件來提升泵激光源的使用，在目前針對混合型光纖放大器的研究
中，往往只針對少數幾項參數特性作研究，如從高增益、低雜訊、單波長泵激雷射的 使用、提升殘餘功率的使用效率等其中幾項作研究，因此本計畫想設計出具有上述特 性的混合型光纖放大器。
而目前光纖放大器中，雙向光纖放大器較少討論，因此本計畫便針對此項議題作 討論，也透過實際傳輸量測成功設計出雙向光纖放大器架構。但因為增益波段不夠平 坦，因此可將架構中加入長週期光纖光柵使摻鉺光纖放大器的增益較為平坦、增加泵 激功率波長數可使拉曼光纖放大器增益較平坦如圖 1。以實驗室現有之兩種不同波長之 泵激光源：1480 nm 與 1495 nm，兩者搭配之下可使 L-band 增益較為平坦化。若能改善 此問題，相信具有此放大特性的雙向光纖放大器能在光纖通訊中獲得更廣泛的應用。
圖 1 拉曼光纖放大器增益波段重疊
如圖 2 在摻鉺光纖後端放置光隔離器 ISO，改善雜訊影響訊號放大品質，亦可使 C-band 訊號經由 3 dB 光耦合器進入之光傳輸方向為左到右，L-band 訊號之傳輸方向為 右到左，3 dB 光耦合器將光一分為二，光隔離器可將逆向光隔離，所獲得之增益值會 相對下降且雜訊指數相對上升。然而 C-band 與 L-band 要雙向傳輸且要去除不必要之功 率損耗，因此設計改良如圖 3 所示，利用光循環器(optical circular, OC)，將 C-band 訊號 從 OC1的 port 2 輸入，經由 port 3 到達摻鉺光纖(EDF1)進行訊號放大，再經由 OC2的 port 1 到 port 2 輸出，而 L-band 訊號由右到左傳輸，從 OC2的 port 2 輸入，經由 port 3 到達摻鉺光纖(EDF2)進行訊號放大，再經由 OC1的 port 1 到 port 2 輸出；
圖 2 利用光耦合器之雙頻道摻鉺光纖放大器
圖 3 利用光循環器之雙向摻鉺光纖放大器
雙向混合型光纖放大器，由上面圖 2 與圖 3 採用泵激功率分享(pump share)的概念 供給 C-band 與 L-band 訊號，不同的是將 L-band 增益光纖從摻鉺光纖改為色散補償光 纖(DCF)，此為拉曼光纖放大器。若要將 C-band 與 L-band 傳輸不同方向可將 C/L 分波 多工元件改為光循環器，架構如圖 4。在架構中使用單一波長的泵激雷射光源，其泵激 雷射使用極化合成器(polarization beam combiner，PBC)，可將兩道正交極化光合併為一 束光，使得泵激光源可獲得最大之功率，其中泵激雷射波長為 1495 nm，則依據拉曼平 移，如式(1)可放大 L-band 光訊號：
(1)
其中 ，則 ，因此最大增益波長為 1593.34 nm 如圖 5，傳輸 波段完整擴展到 1610 nm，主要放大波段為 1580 nm 至 1610 nm。
圖 4 雙向混合型光纖放大器架構
圖 5 拉曼平移示意圖
可利用之產業及可開發之產品 可利用之產業及可開發之產品 可利用之產業及可開發之產品 可利用之產業及可開發之產品：：：： 可利用餘光纖通訊產業之放大機制。
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：：： ：
增加產值: 合作企業正評估將光纖放大器列為發展商品之可能 增加附加價值或營利: 努力中
增加投資/設廠: 增加公司之研發競爭力，可以投入商品化。
增加就業人數: 2 位碩士生，第 3 位碩士生去當兵，博士生仍就學中
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/11/19
國科會補助計畫
計畫名稱: 光纖光柵之特性設計、開發與應用(1/2) 計畫主持人: 廖顯奎
計畫編號: 100-2622-E-011-014-CC2 學門領域: 光纖通訊與波導光學
研發成果名稱 (中文) 光纖模組
(英文) Fiber optics module
成果歸屬機構 國立臺灣科技大學 發明人 (創作人)
廖顯奎,王儀珺,游易霖,劉人仰
技術說明
(中文) 本技術致力於研究光纖模組（雙向光纖放大器），設計使用單一波長泵激雷射、
提升泵激功率的使用與殘餘功率的覆用。
第一部分為C+L band雙向摻鉺光纖放大器，利用單一波長泵激雷射將功率分配30
%給予C-band和70 % 給予L-band，並且製作反射率為99 %之布拉格光纖光柵作為 泵激光源反射元件，將C-band尚有的泵激殘餘功率再次反射回摻鉺光纖中利用，
使得C-band平均增益提高。
第二部分為雙向殘餘功率覆用之混合型光纖放大器，設計為並聯式架構，其架構 能減少C-band摻鉺光纖放大器被L-band頻道影響而降低光訊號增益，製作適當反 射率之光纖光柵作為泵激光源反射元件，使得C-band 摻鉺光纖放大器與L-band 拉曼光纖放大器平均增益更為平坦。
(英文) This technology focuses on the investigation of bi-directional fiber amplifiers in single- wavelength pumping mechanism. For the first part, the C+L band bi-directional erbium- doped fiber amplifiers (EDFAs) are introduced. A single-wavelength pump laser is pump- sharing to the C+L band fiber amplifiers by appropriately adjusting the pump power ratio.
Then, fiber-Bragg-grating (FBG)-based pump reflector is used to recycle the residual pump power for the C band EDFA.
The second part discusses bidirectional hybrid amplifiers in recycling-pumped
mechanism, where the C band and L band are EDFA and Raman fiber amplifier (RFA), respectively. The hybrid fiber amplifiers, in parallel structure, may reduce the possible attenuation of C band EDFA to the L band wavelength division multiplexing (WDM) channels and vice versa. Note that appropriate ratio is selected as it could minimize the gain variation between the C band EDFA and L band RFA under the condition of -20 dBm input power per channel.
產業別 研究發展服務業
技術/產品應用範圍 光通訊與光學感測 技術移轉可行性及
預期效益
若商品化成功即有很好之技術移轉機會
註：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。
100 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：100-2622-E-011-014-CC2 計畫名稱：光纖光柵之特性設計、開發與應用(1/2)
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 1 1 100%
研討會論文 2 2 100%
論文著作 篇
專書 1 1 100%
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 3 3 100%
博士生 1 1 100%
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 2 2 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 2 2 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 1 1 100% 件
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。)
因為執行此計畫與相關成果:
(1) 獲邀擔任 4 個國際會議 Technical program committee member (2) 2012.06 獲聘為台科大特聘教授 (校內)
(3) 與英國牛津大學合作發表光纖模組技術 SCI 期刊一篇與國際會議論文 1 篇,
(4) 獲邀在光通訊產業聯誼會作專題演講 (5) 申請與主辦國科會光電產學論壇一件
(6) 本計畫進行各式光纖光柵之特性分析與使用,投稿內容刊登於國際一流期 刊, 且著手申請專利一件, 可說兼具技術內容與創新.
(7) 過程中之培養學生光纖元件之採購與驗收, 作實驗之態度與研究精神, 光 纖模組於測試平台之檢測,提出改善方案, 以理論及實務並重培養人才，有助於 國內光纖通信與光纖檢測之發展
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 0
本產學合作計畫研發成 果 及 績 效 達 成 情 形 自 評 表 成果項目 本產學合作計畫預估研究成果及績效指標
（作為本計畫後續管考之參據） 計畫達成情形
技術移轉 預計技轉授權 0 項 完成技轉授權 0 項
國內 預估 0 件 提出申請 1 件，獲得 0 件
專利
國外 預估 0 件 提出申請 0 件，獲得 1 件
博士 0人，畢業任職於業界0人 博士 0人，畢業任職於業界0人
碩士 0人，畢業任職於業界0人 碩士 3人，畢業任職於業界2人 人才培育
其他 0人，畢業任職於業界0人 其他 0人，畢業任職於業界0人
期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件
研討會論文 0 件 發表研討會論文 2 件
SCI論文 0 件 發表SCI論文 0 件
專書 0 件 完成專書 1 件
國內
技術報告 0 件 完成技術報告 1 件
期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件
學術論文 0 件 發表學術論文 0 件
研討會論文 0 件 發表研討會論文 2 件
SCI/SSCI論文 0 件 發表SCI/SSCI論文 2 件
專書 0 件 完成專書 0 件
論文著作
國外
技術報告 0 件 完成技術報告 0 件
其他協助產業發展
之具體績效 新公司或衍生公司 0 家 設立新公司或衍生公司(名稱)：
計畫產出成果簡 述：請以文字敘述 計畫非量化產出之 技術應用具體效 益。（限 600 字以
內）
本計畫研發成果光纖雷射在國科會產學論壇報告並獲致很好回響,後續有他家公司希 望參與後續產學合作 o
光纖雷射技術也嘗試應用於 lab 光纖感測研發,並且朝商品化分析與開發邁進!
