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研究生:薛志堅
研究生(外文):Hsueh, Chih-Chien
論文名稱:藉彎曲單模光纖之C-band和L-band波長可調式光纖雷射之研究
論文名稱(外文):Study of C-band and L-band Tunable Fiber Lasers By Bending Single Mode Fiber
指導教授:王立康
指導教授(外文):Wang, Li-Karn
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:光纖雷射
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我們使用環形迴路共振腔(ring cavity)作為光纖雷射的共振腔體,架構中有一個光環流器(Circulator)使其成為單一方向(uni-direction)的雷射共振腔體,單一方向(uni-directional)雷射共振腔體輸出的雷射有較其他類型的共振腔體穩定的性質。本論文選擇了適當長度的摻鉺光纖,並且使用一個固定共振腔長度之Fabry-Perot etalon,利用其FSR使在定溫下之雷射模態皆相差1.2nm左右,並搭配彎曲單模光纖造成各波長不同程度之損耗來當作調變雷射波長之濾波器,使得連續可調範圍相當的寬廣,在架構中使用C+L WDM Coupler、Attenuator(衰減器)來達成快速切換C-band或是L-band 連續波長可調式光纖雷射或是C-band和L-band同時產生雷射之雙波長光纖雷射,由於在共振腔內還有加上一個極化控制器,所以可以調整雷射輸出之功率以及選擇雷射波長,並且於環型光纖雷射外再加上一級摻鉺光纖放大器,利用增益飽和之特性,並搭配PC可以調整雷射輸出功率之功能,使輸出更相對的均勻。相較於其他波長連續可調式光纖雷射,使用了一些如FFP或是TBF在價格上相當昂貴之光纖元件,由於我們使用了彎曲單模光纖的方式來達到連續調變雷射波長的目的,所以成功的降低了成本,是我們的一大優勢。
致謝………………………………………………………………………………………Ⅰ 摘要………………………………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………………………………………Ⅲ 圖目錄……………………………………………………………………………………Ⅴ 表目錄……………………………………………………………………………………Ⅷ
第一章 序論 …………………………………………………………………………1
1.1研究背景…………………………………………………………………1 1.2文獻回顧……………………………………………………………………2 1.3研究動機……………………………………………………………………3 1.4 論文大綱……………………………………………………………………3
第二章 原理 …………………………………………………………………………5
2.1摻鉺光纖放大器………………………………………………………………5 2.1.1摻鉺光纖放大器之基本原理…………………………………………5 2.1.2摻鉺光纖放大器之泵激光源(pump light source)的選擇…………10 2.1.3 C-band、L-band之操作原理…………………………………………12 2.1.4摻鉺光纖放大器增益飽和特性………………………………………13 2.2 光纖的彎曲損耗及原理介紹……………………………………………16 2.2.1 光纖彎曲損耗之特性介紹及原理…………………………………16 2.2.2單模光纖的彎曲損耗(Bending loss in SMF)……………………19 2.3 Fabry-Perot Etalon之原理介紹………………………………………22 2.4光纖雷射之簡介與原理…………………………………………………27 2.4.1光纖雷射的之簡介……………………………………………………27 2.4.2光纖雷射理論分析……………………………………………………29 第三章 藉彎曲單模光纖調整雷射波長之原理及數據……………………………31 3.1 彎曲單模光纖之載台之製作……………………………………………31 3.2 彎曲單模光纖調整波長之原理及實驗數據……………………………32 第四章 實驗結果與討論……………………………………………………………41 4.1 實驗架構…………………………………………………………………41
IV
4.2 波長可調式光纖雷射……………………………………………………44 4.2.1 L-band環形光纖雷射實驗數據………………………………………… 44 4.2.2 L-band光纖雷射輸出帄坦化之一級摻鉺光纖放大器之設計………50 4.2.3 經過一級放大器之L-band環形光纖雷射實驗數據………………53 4.2.4 C-band環形光纖雷射實驗數據………………………………………59 4.2.5 C-band光纖雷射輸出帄坦化之一級摻鉺光纖放大器之設計………63 4.2.6 經過一級放大器之C-band環形光纖雷射實驗數據………………66 4.2.7 C+L band雙波環形光纖雷射 ………………………………………71 第五章 總結…………………………………………………………………………76 參考文獻…………………………………………………………………………………78
V
圖目錄 圖 2-1 Er3+的能階圖……………………………………………………………………5 圖 2-2(a) ESA示意圖…………………………………………………………………11 圖 2-2(b) 摻鉺光纖之吸收和發射截陎與波長的關係………………………………11 圖 2-3 增益曲線與粒子數反轉與波長之關係………………………………………12 圖 2-4 L-band EDFA的機制示意圖……………………………………………………13 圖 2-5能階與遷移綠的關係圖………………………………………………………15 圖 2-6(a) 信號光的反射角度與彎曲的角度之關係圖………………………………17 圖 2-6(b) 二維帄陎波導示意圖……………………………………………………18 圖 2-6(c) 傳播常數與入射角之關係…………………………………………………18 圖 2-7 Bending loss與各波長損耗關係圖…………………………………………19 圖 2-8 彎曲的光纖之參數代號表示圖………………………………………………19 圖 2-9(a) Bend diameter 13 mm,arc length 1200. ……………………………20 圖 2-9(b) Bend diameter 10 mm arc length 600…………………………………20 圖 2-10 Bend loss與波長及曲率半徑的關係圖……………………………………20 圖 2-11 實驗(線)與數值分析(點)的對照圖…………………………………………21 圖 2-12 Fabry-Perot Etalon 示意圖…………………………………………………22 圖 2-13 自由頻譜範圍示意圖…………………………………………………………23 圖 2-14 反射率與模態強度之關係圖…………………………………………………25 圖 2-15 串聯之共振腔…………………………………………………………………26 圖 2-16 利用串聯共振腔塞選模態之示意圖…………………………………………26 圖 2-17 環形光纖雷射示意圖…………………………………………………………27 圖 2-18 線型光纖雷射示意圖…………………………………………………………28 圖 2-19線型光纖雷射各參數表示圖…………………………………………………30 圖 3-1 彎曲單模光纖之載台示意圖…………………………………………………31 圖 3-2 Homogeneous gain broadening示意圖……………………………………32 圖 3-3彎曲單模光纖選擇波長之示意圖……………………………………………33 圖 3-4 測量單模光纖損耗之架構圖…………………………………………………34 圖 3-5 單模光纖之彎曲損耗量測結果………………………………………………34
VI
圖 3-6(a) 使用60mW,1480nm pump laser之14.75米EDH的增益頻譜圖……35 圖 3-6(b) C-band測量增益頻譜之架構圖…………………………………………36 圖 3-6(c) 60mW,1480nm pump laser之14.75米EDH的ASE圖………………………36 圖 3-7(a) 左旋鈕刻度為7.0mm所改變之C-band增益頻譜………………………36 圖 3-7(b) 左旋鈕刻度為8.0mm所改變之C-band增益頻譜…………………………37 圖 3-8(a) 使用210mW,1480nm pump laser之86米EDH的增益頻譜圖…………38 圖 3-8(b) L-band測量增益頻譜之架構圖……………………………………………38 圖 3-8(c) 210mW,1480nm pump laser之86米EDH的ASE圖……………………………38 圖 3-9(a) 左旋鈕刻度為8.0mm的改變之L-band增益頻譜…………………………39 圖 3-9(b) 左旋鈕刻度為11.0mm的改變之L-band增益頻譜…………………………39 圖 4-1 實驗架構圖……………………………………………………………………41 圖 4-2 L-band環形光纖雷射頻譜圖…………………………………………………48 圖 4-3 L-band環形光纖雷射頻譜彙整圖………………………………………49 圖 4-4 double-pass架構之L-band放大器……………………………………………50 圖 4-5(a) EDL為27m之各波長增益飽和曲線圖………………………………………50 圖 4-5(b) EDL為30m之各波長增益飽和曲線圖………………………………………51 圖 4-5(c) EDL為36m之各波長增益飽和曲線圖………………………………………51 圖4-5(d) EDL為40m之各波長增益飽和曲線圖………………………………………52 圖 4-6帄坦化之L-band環形光纖雷射頻譜圖………………………………………57 圖4-7 帄坦化之L-band環形光纖雷射頻譜彙整圖…………………………………57 圖 4-8 L-band雷射輸出功率比較圖…………………………………………………58 圖 4-9 C-band環形光纖雷射頻譜圖…………………………………………………61 圖 4-10 C-band環形光纖雷射頻譜彙整圖……………………………………………62 圖 4-11 後向泵激之C-band放大器……………………………………………………63 圖 4-12(a) EDH為3.4m之各波長增益飽和曲線圖……………………………………63 圖 4-12(b) EDH為6m之各波長增益飽和曲線圖………………………………………64 圖 4-12(c) EDH為9.35m之各波長增益飽和曲線圖…………………………………64 圖 4-13 帄坦化之C-band環形光纖雷射頻譜圖……………………………………68 圖4-14 帄坦化之C-band環形光纖雷射頻譜彙整圖…………………………………69
VII
圖 4-15 C-band雷射輸出功率比較圖…………………………………………………70 圖 4-16 C-band、L-band雷射輸出功率比較圖………………………………………70 圖 4-17 C+L band雙波環形光纖雷射頻譜圖…………………………………………73 圖4-18 C+L band雙波環形光纖雷射與刻度之關係頻譜圖………………………73
VIII
表目錄 表2-1 各Transmission windows的波段…………………………………………12 表2-2 文獻中之單模光纖規格………………………………………………………19 表4-1 實驗用到之儀器與光纖元件列表……………………………………………43 表 4-2 C+L band雙波環形光纖雷射輸出功率列表…………………………………74
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no. 5, Sep/Oct. 2007.
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