臺灣博碩士論文加值系統

摻鉺光纖環形雷射


摘要

本文利用波長980nm之半導體雷射與摻鉺光纖（Erbium-Doped Fiber）及布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating）組成波長在1541.35nm、頻寬為0.25nm、雷射功率為2.3dBm的摻鉺光纖環型雷射。
利用軟體完成了不同摻鉺光纖長度、不同摻雜濃度之摻鉺光纖、不同反射率、與雷射輸出功率之模擬。當摻鉺光纖長度為15~20公尺有最佳輸出。反射率超過5dB（68.38％），雷射輸出功率遞增，低於3dB（49.88％），雷射輸出功率遞減。當摻鉺光纖達到飽和激發濃度時，會有最好的輸出。
最後利用此一環型架構比較不同廠商型號摻鉺光纖其功率穩定性及中心波長穩定性，發現Fibercore摻鉺光纖輸出功率最大，穩定性最佳。 Lucent摻鉺光纖輸出功率次之，穩定性次之。卓越摻鉺光纖輸出功率及穩定性皆差。

ABSTRACT

Demonstrated here is a fiber ring laser based on 980 nm diode laser pumping ring-type configuration including a coupler and erbium-doped fiber (EDF) with single Brag-fiber grating.
The optimized simulation is carried out to optimize the output power, by changing the length and the doping concentration of the EDF, the ratio of the reflection, the number and the position of the isolators.
We also investigate and compare the various EDFs of different companies. The EDF of Fiber core has the best output power and the most stability of the power and the center wavelength.

目錄
中文摘要……………………………………………………………I
英文摘要……………………………………………………………II
誌謝…………………………………………………………………III
目錄…………………………………………………………………IV
圖目錄………………………………………………………………VII
表目錄………………………………………………………………VIII
第一章 光纖雷射發展歷程簡介…………………………………1
1.1 光纖簡介與光纖雷射發展沿革…………………………1
1.1.1 光纖簡介與光纖雷射增益介質……………………1
1.1.2 光纖雷射發展沿革…………………………………2
1.2 光纖雷射基本架構………………………………………5
1.2.1 線型光纖雷射………………………………………5
1.2.2 環型光纖雷射………………………………………6

第二章 光纖雷射相關理論………………………………………8
2.1 超螢光光源………………………………………………8
2.2 臨界條件與雷射輸出功率………………………………12
2.3 軟體模擬…………………………………………………15

第三章 環型光纖雷射實驗架構……………………………………28
3.1 激發光源……………………………………………………28
3.2 實驗架構……………………………………………………34

第四章 結果與討論…………………………………………………36
4.1 激發光源……………………………………………………36
4.2 不同摻鉺光纖和操作電壓對雷射輸出功率的影響………43
4.3 摻鉺環形光纖雷射輸出中心波長穩定性探討……………53
4.4 結論…………………………………………………………63


圖目錄
圖1.1 線型摻鉺光纖雷射…………………………………………5
圖1.2 環型摻鉺光纖雷射…………………………………………6
圖1.3 改良式環形雷射……………………………………………7
圖2.1 典型的摻鉺光纖超螢光光源光譜…………………………10
圖2.2 摻鉺光纖超螢光光源光譜（操作電壓1.33V）…………11
圖2.3 摻鉺光纖超螢光光源光譜（操作電壓1.422V）…………11
圖2.4 摻鉺光纖超螢光光源光譜（操作電壓1.54V）…………11
圖2.5 線型摻鉺光纖雷射示意圖…………………………………13
圖2.6 環型摻鉺光纖雷射模擬光路………………………………15
圖2.7 激發光源的參數設定圖……………………………………16
圖2.8 摻鉺光纖參數設定…………………………………………17
圖2.9 模擬雷射輸出功率圖………………………………………18
圖2.10 加入光隔離器之光纖雷射光路模擬圖……………………20
圖2.11 摻鉺光纖內部參數設定……………………………………25
圖2.12 模擬摻雜濃度之雷射輸出功率……………………………25
圖2.13 模擬摻雜濃度與雷射輸出功率關係圖……………………27
圖3.1 鉺離子能階圖………………………………………………28
圖3.2 摻鉺光纖能階圖……………………………………………29
圖3.3 激發光源驅動電路圖………………………………………30
圖3.4 環形摻鉺光纖雷射實驗架構圖……………………………34
圖4.1 操作電壓在1.675V時的激發光源頻譜……………………36
圖4.2 操作電壓在1.675V時在1550nm的頻譜……………………37
圖4.3 操作電壓在1.760V時的激發光源頻譜……………………37
圖4.4 操作電壓在1.760V時在1550nm的頻譜……………………38
圖4.5 兩個單峰輸出的增益譜線…………………………………38
圖4.6 兩個單峰輸出的增益譜線疊加圖…………………………39
圖4.7 兩個單峰光源同時存在圖…………………………………40
圖4.8 雙峰光源同時存在時之增益頻譜圖………………………40
圖4.9 激發光源在1550nm擬合光譜比較圖………………………41
圖4.10 激發光源在1550nm擬合光譜比較圖(對數)………………41
圖4.11 理論與實驗值擬合光譜比較圖(對數)………………………42
圖4.12 摻鉺光纖環形雷射之輸出功率穩定性量測………………44
圖4.13 在不同電壓下與雷射輸出功率之穩定度相對關係圖……45
圖4.14 不同電壓與雷射輸出功率之雜訊比………………………45
圖4.15 摻鉺光纖環形雷射之輸出功率穩定性量測………………46
圖4.16 不同電壓與雷射輸出功率穩定度之相對關係圖…………47
圖4.17 雷射輸出功率之雜訊比與不同電壓之相對關係圖………47
圖4.18 摻鉺光纖環形雷射之輸出功率穩定性量測………………48
圖4.19 雷射輸出功率之穩定性與不同電壓之相對關係圖………49
圖4.20 雷射輸出功率之雜訊比與不同電壓之相對關係圖………49
圖4.21 摻鉺光纖環形雷射之輸出功率穩定性量測………………50
圖4.22 雷射輸出功率之穩定性與不同電壓之相對關係圖………51
圖4.23 雷射輸出功率之雜訊比與不同電壓之相對關係圖………51
圖4.24 四種摻鉺光纖環形雷射輸出功率與不同電壓
之相對關係圖………………………………………………52
圖4.25 摻鉺光纖環形雷射之輸出中心波長穩定性量測…………53
圖4.26 雷射輸出中心波長之穩定性與不同時間之相對關係圖…54
圖4.27 雷射輸出中心波長之雜訊與不同時間之相對關係圖……54
圖4.28 摻鉺光纖環形雷射之輸出中心波長穩定性量測…………55
圖4.29 雷射輸出中心波長之穩定性與不同時間之相對關係圖…55
圖4.30 雷射輸出中心波長之雜訊與不同時間之相對關係圖……56
圖4.31 摻鉺光纖環形雷射之輸出中心波長穩定性量測…………57
圖4.32 不同操作時間雷射輸出中心波長之穩定度………………57
圖4.33 雷射輸出中心波長之雜訊與不同時間之相對關係圖……58
圖4.34 摻鉺光纖環形雷射之輸出中心波長穩定性量測…………59
圖4.35 雷射輸出中心波長之穩定性與不同時間之相對關係圖…60
圖4.36 雷射輸出中心波長之雜訊與不同時間之相對關係圖……60
圖4.37 不同摻鉺光纖所產生之中心波長穩定性對時間關係圖…61
圖4.38 不同摻鉺光纖所產生之中心波長雜訊比對時間關係圖…62
圖4.39 不同摻鉺光纖所產生之平均功率對時間關係圖…………62
圖4.40 摻鉺光纖環形雷射光譜圖…………………………………64


表目錄
表2.1 模擬不同的耦合器分光比對雷射輸出造成的影響………19
表2.2 光路中模擬光隔離器的位置對雷射輸出的影響…………21
表2.3 不同長度的摻鉺光纖對雷射輸出的影響…………………22
表2.4 不同的光柵反射率對雷射輸出的影響……………………23
表2.5 模擬摻鉺光纖摻雜濃度對雷射輸出………………………26
表3.1 量測不同電壓值與輸出功率比較表………………………32
表3.2 量測不同電壓與時間對輸出功率比較表…………………33
表3.3 Fibercore摻鉺光纖參數……………………………………35
表4.1 三種摻鉺光纖之參數………………………………………43
表4.2 光纖雷射輸出功率穩定度表………………………………63

REFERENCE
【1】E. Snitzer and R. Woodcock，Appl.Phys.Lett.6，45（1965）
【2】E. Snitzer，Proc. IEEE 54，1259（1965）
【3】R. J. Mears，L. Reekie，S. B. Poole and D. N. Payne，Electron. Lett. 21，738（1985）
【4】S. B. Poole，D. N. Payne and M. E. Fermann，Electron. Lett. 21，737（1985）
【5】Hu-Zongfu，” Single-frequency all-fiber ring laser with a M-Z interferometer „IEEE Photon. Technol. Lett., 2003.
【6】M.J.Pontes，M.T.M.Rocco Giraldi”ROLE OF FIBER LENGTH ANDREFLECTIVITY VARIATIOM ON THE TUNABILITY OF AN ERBIUM DOPED-FIBER RING LASER„IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 1997.
【7】侯國付，李乙鋼，付成鵬，呂福云，呂可誠 ”摻稀土元素光纖超螢光光源„ 激光雜誌，第1期第23卷（2002）
【8】C.Barnard，P.Myslinski，J.Chrostowski and M.Kavehrad， “Analytical model for rare-earth-doped fiber amplifiers and lasers”IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.30,pp.1817-1830,Aug.1994.
【9】占生寶，趙尚弘，董淑福，莊茂祿，夏貴進，李雲霞“Er3+/Yb3+共摻光纖激光器中能量上轉換的抑制”激光與紅外，第32卷，第6期（2002）
【10】鄭博修 ”光纖雷射及光纖光柵之研製 „ 交通大學論文（1994）

【11】鄭衛華，石國武，陳章淵，吳德明，徐安士“980nm和1480nm泵浦L波段EDFA的優化設計”光通信研究，第6期（2002）
【12】P.R. Morkel, G.J. Cowle, and D.N. Payne, "Travelling-Wave Erbium Fiber Ring Laser with 60 kHz Linewidth," Electron. Lett., vol. 26, pp. 632-634, 1990..
【13】“T. Pfeiffer, H. Schmuck, and H. Bülow, "Output Power Characteristics of Erbium-Doped Fiber Ring Lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, pp. 847-849, 1992..
【14】“Introduction, Technical Background and Tutorial EDFA_Design”, Optical Fiber Amplifier & Laser Design Software, Optiwave Corporation.2000.
【15】 P.Barnsley，P.Urquhart，C.Millar ad M.Brierley，J.Opt.Soc.Amer.A5，1339(1988)