用以使增益平坦的光放大器的製作方法

2023-07-21 21:56:36

專利名稱：用以使增益平坦的光放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖場(fields of fiber optics)以及光纖信號擴大 (amplification of optical signal)技術,可^是供於光纖信號的增益平坦 化放大器。
背景技術：
光通訊系統中，用以傳送單一波長的光通道(optical channel)至一或 多條光纖的技術已被大家所熟悉，為了由多點(plural sources)傳送數據， 時分復用(TDM, time-division multiplexing)常被應用，在時分復用中， 特定的時槽(time slot)被分配至每一信號點(signal source),而完整的信 號由與每一時槽有關的部分所構成，若上述用以傳送多筆數據源至單一光通 道的技術是有效的，則其容量會受到光纖分布的限制，而必須產生高尖峰功 率脈沖(high peak power pulses)。
波分復用(畫，wavelength division multiplex)已被發現，用以作為 增加現行光纖網絡容量的方法，在波分復用系統中，多個光學信號信道被傳 送至具有被分配到特定波長的每一信道的單一光纖，因為每一個光通道都可 以時分復用的形式作用，所以所有光纖網絡中的全部數據傳送容量可被大大 地提升。
波分復用系統中的光信道通常以矽光纖(silica based optical fiber) 被傳送，並且相對地具有低耗損，使波長在1520至1580奈米(nm)之間，而 波分復用系統中的光學信號信道的波長在此低耗損窗(low loss window)下， 可以;波傳遞約50公裡而沒有過多的能量衰減，然而，超過50公裡以上的距 離時，需要利用光放大器對光纖損耗做補償。已發展的光放大器包括一摻有稀土元素(rare earth element)的增益介 質(gain medium),稀土元素可能為斜(erbium)、鐠(praseodymium)、釹 (neodymium)以及碲(tellurium),最常被使用的稀土元素為鉺，因為鉺可以 產生最佳的增益，其波長範圍在1520至1580奈米之間，並且，摻鉺的介質 可在一被選定的波長下通過光抽運(pumped),舉例來說，被選定的波長為980 奈米，以提供光纖的波長在低耗損窗下可被放大或增益。

發明內容
根據本發明的原理構造，本發明可被實施且更廣泛地解釋，本發明的方 法以及系統被用以增強光放大器的增益。
本發明的一範例提供一種光放大器，包括 一第一及一第二平面波導 (planar waveguide)，該第一及第二平面波導包括一基板，該基板包括一區 域，該區域摻雜一螢光材料，並且該第一及第二平面波導以光學的方式互相 耦接。
本發明的另 一範例提供波分復用傳送系統(wavelength division multiplexing transmission system),其包括多個傳輸器，每一傳輸器用 以傳送各自的光學信號，而每一個光學信號有各自的波長，波分復用傳送系 統還包括一復用器以及一光放大系統，復用器用以結合多個光學信號至一光 通信路徑(optical communication path)上，光放大器可包括一平面波導 (planar waveguide)以及一光纖，該平面波導包括一基板，基板包括一區 域，該區域摻雜螢光材料，而光纖包括摻雜有螢光材料的核心部(core)， 其中，該光纖以光學方式與該平面波導耦接，波分復用傳送系統還可包括一 去復用器(demultiplexer)以及多個接收器(receivers),去復用器用以區分 具有個別波長的每一光學信號，而接收器用以接受被區分後的光學信號並且 將光學信號轉換成電信號。 '
為使本發明的上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特列 舉出實施範例，並結合附圖詳細說明如下。


圖1為本發明的波分復用傳送系統的範例方塊圖； 圖2為本發明的二級光放大器的實施範例的方塊圖；圖3為本發明的鉺摻雜平面波導的實施範例示意圖； 圖4為本發明的鉺摻雜光纖範例示意圖5為鉺摻雜平面波導放大器的輸入信號功率為O以及-25dBm以及波分 復用信號波長在1528-1562nm之間時，增益性能以及噪聲指數的曲線變化圖6為具有10m長的鉺摻雜光纖的鉺摻雜放大器，其輸入信號功率為0 以及-25dBm以及波分復用信號波長在1528-1562nm之間，且抽運功率為72mW 時，增益性能以及噪聲指數的曲線變化圖7為增益平坦二級放大器的輸入信號功率為O以及-25dBra以及波分復 用信號波長在1528-1562nm之間時，增益性能以及噪聲指數的曲線變化圖;
圖8為誤碼率測試表現圖，測試輸入信號的波長為1550nm， 2. 5Gb/s模 塊系統分別用於背對背式光放大器以及二級放大器系統；
圖9為二級光放大器的另一實施範例的方塊圖10為本發明二級光;^文大器的另一實施範例的方塊圖。
附圖符號說明
100-波分復用傳送系統
110-傳輸器
120-波分復用器
130 光通信i 各徑
130a-第一光通信路徑
130b~第二光通信路徑
140、 640 ~光放大器
150-波分復用去復用器
160~接收器
210、 610~第一級
211 光隔離器
212 ~光源
213- 第一光耦合器
214- 平面波導介質 215~光濾波器 216 第二光隔離器 220、 620 ~第二級221'-光源
222 --第二光耦合器
223 --鉺摻雜光纖
224 --光隔離器
305 --玻璃基板
310--嵌入式區域
410--核心部
420 --夕卜殼
511 _-第三光隔離器
513--第二光濾波器
514 --第一平面波導
515 --第一光濾波器
516 --第四光隔離器
517 --第二平面波導
611 --第一光源
711 --第二光源
911 --光源
912 --第三光耦合器
具體實施例方式
圖1為波分復用(WDM)傳送系統100的方塊示意圖，如圖所示，波分復 用傳送系統100包括多個傳輸器110 、波分復用(WDM)復用器 (multiplexer) 120、光通信路徑(optical communication path) 130、至少 一光放大器(optical amplifier) 140 、波分復用(WDM)去復用器 (demultiplexer) 150以及多個接收器160, —般來說，傳送光學信號通過波 分復用傳送系統100時，每一個傳輸器110會傳送各自不同波長的光學信號， 而光通信路徑130包括矽光纖，並且該波長在1520至1580nm之間，為光通 信路徑130的低耗損窗(low loss window)。傳輸器110包括光源，如發光 二極體或雷射光，該傳輸器110可^f艮據二進位輸入串流(binary input stream) 被調整，每一個從傳輸器IIO輸出的光學信號都會進入波分復用器120，波 分復用器120結合光學信號並且沿著光通信路徑130傳送結合後的光學信號，光通信路徑130包括至少一區段的光纖。
一般而言，至少一光放大器140被設於光通信路徑130上，用以放大被 傳送的光學信號以補償在光通信路徑130上的耗損，以下請參考圖2做進一 步說明，光學放大器H0包括二級放大器(two-stage amplif ier)以提供大 致均勻的增益。
在沿著光通信路徑130傳播後，光學信號接著會進入波分復用去復用器 150中，利用其個別的波長特徵，進而區分已進入的信號，接著，由波分復 用去復用器150中輸出的信號會進入其對應的接收器160中，該接收器160 包括一光電探測器(photodetector),用以將已接收的光學信號轉換成對應
的電信號以進行接下來的工藝步驟。
圖2為二級光放大器140範例的方塊示意圖，如圖所示，光放大器140 包括第一級210以及第二級220，此兩階一般包括了鉺摻雜增益介質(erbium doped gain medium)，用以放大光學信號。另外一般而言，第一級210—般 包括鉺摻雜平面波導介質(erbium doped planar waveguide medium) 214' 第二級220 —般包括鉺摻雜光纖(erbium doped fiber),如下更進一步地詳 細討論，鉺摻雜增平面波導介質214可包括一基板、相對來說較為小型，而 鉺摻雜光纖一般為數米至數十米的長度。此外，本實施例亦可將包括有鉺摻 雜平面波導介質的第一級210與包括有鉺摻雜光纖的第二級220的位置調 換。或者，由於用半導體工藝所致，所以光放大器140可使用具有鉺摻雜平 面波導介質或是鉺摻雜光纖的二級形式(two-stage)(包括第一級HG以及第 二級220)串聯而得。
請再參考圖2,已進入的波分復用信號包括光學信號的複合信道，每一 光學信號具有不同波長，複合通道被應用於位於光放大器"0的第一級210 中的光隔離器(isolator)211，光隔離器211 —般為被動裝置，大致用以防 止光通信路徑130中的反射，舉例來說，光隔離器211可使在第一級210申 被產生的放大自發性輻射(amplified spontaneous emission, ASE)光,避 免沿著光通信路徑130被傳播，部分的光通信路徑130可能會將放大自發性 輻射光反射回到第一級210中並且增加噪聲。
在通過光隔離器211後，波分復用信號(例如第 一輸入光學信號)會在第 一光耦合器213中與一第一抽運光(first pump light)結合，另外，舉例來 說，第一光耦合器213可能包括一熔融光纖耦合器(fused fiber coupler)或一薄膜濾光器(thin film filter),而第一光耦合器213通過第一光通信 路徑130a與平面波導介質(planar waveguide medium) 214的輸入端耦合連 接，第一抽運光一般由光源212中被輸出，例如一雷射或一發光二極體，且 其波長大致等於980nm，而其它已知的抽運光波長(pump wavelength),， 1480nm也可能被使用。
被結合後的第 一抽運光以及波分復用信號會通過第 一光通信路徑130a 被傳至平面波導介質214的輸入端，請參考圖3,平面波導介質214包括一 平面波導，也可能包括一矽基板或是玻璃基板305，該矽基板或玻璃基板305 具有一嵌入式區域(embedded region) 310，該嵌入式區域310具有一相對較 高的折射率(與周圍的基板相比)，故在嵌入式區域310上的光線會被局限在 基板305的某一部分，嵌入式區域310可能由離子交換工藝(ion exchange process)或濺鍍工藝(sputtering)的方式形成，平面波導介質214相對較小， 並且可降低極化靈敏度(Polarization dependence)以及串擾(cross-talk)。
由光源212輸出的抽運光會刺激位於嵌入式區域310中的鉺原子 (erbium atoms),例如，當鉺原子在低能量狀態時通過誘發性放射 (stimulated emission),該光線在一個或多個波分復用信號波長被放射，" 因此提供放大效果至輸入波分復用信號，由平面波導介質214輸出的放大後 波分復用信號接著會到達光濾波器215,該濾波器215與平面波導介質214 的輸出端耦接，並且適度地阻擋沒有被平面波導介質214所吸收的抽運光的 傳遞，在通過與光濾波器215耦接的第二光隔離器216後，波分復用信號由 第一級210被輸出到第二級220。
第二級220可能包括一光源221以輸出第二抽運光、 一波分復用光耦合 器(WDM coupler)(又稱第二光耦合器222)、鉺摻雜光纖22 3以及光隔離 器224,而輸入至第二級22 0的波分復用信號(又稱作第二輸入光 學信號)會與由光源221發出的第二抽運光結合，並且該光源221具 有第二光耦合器222,該第二光耦合器222與第一光耦合器213的結構近似, 結合後的第二抽運光與波分復用信號會通過第二光通信路徑130b進入鉺摻 雜光纖223中。
請參考圖4，鉺摻雜光纖223包括摻雜了鉺的一相對較高折射率的核心 部(core) 410以及一相對較低折射率的外殼(cladding) 420，由於核心部410 與外殼420之間具有不同的折射率，故抽運光與波分復用信號仍會被限制在核心部410中，該抽運光(例如波長為980nm或1480nm)^皮設於核心部410 中的鉺原子所吸收，其過程大致同於上述的圖3，當鉺原子在基態(ground state)時，以下將更進一步說明，光線在波分復用信號的一個或多個波長被 放射，藉以放大波分復用信號，接著，在波分復用信號被輸出至第二級220 前，被放大後的波分復用信號通過光隔離器224。
光方文大器140的i曾益性能(gain performance)以及^桑聲指#丈(noise figure, NF)光譜，其通過具有0. 05rnn的解析度的可調製波長雷射(tunable laser)以及光譜分析儀來量測，圖5顯示在第一級210中，輸入信號功率 (input signal power, Pin)分別為0以及-25dBm,波分復用信號波長在 1528-1562nm之間時，增益性能以及噪聲指數的曲線變化圖，請參考圖5， 當輸入信號功率為OdB,而波長範圍在1528-1562之間時，此時增益(G)大於 9.5dB，而噪聲指數(NF)小於7. 5dB，然而，可以注意到波長為1532nm時， 最高增益(peak gain)為30. ldB而噪聲指數為5. 7dB,而當輸入信號功率為 -25dB，波長範圍在1528-1562nm間時，噪聲指數分布在5-6. 3之間，當波 長範圍在1528-1562nm間時，可獲得的最大增益變化量為4. 7dB。
圖6顯示在第二級220中，輸入信號功率(input signal power, Pin) 分別為0以及-25dBm,波分復用信號波長在1528-1562nm之間時，增益性敘 以及噪聲指數的曲線變化圖，利用lOm長的鉺摻雜光纖，並且當鉺摻雜光纖 223在第二級"0且980nm的雷射抽運二極體功率(laser pump diode power) 為72mW，當輸入功率為OdBm，波長範圍為1528-1562nm間的增益高於14. 2dB， 而噪聲指數範圍在6, 3-7. ldB之間，同時，36. 2dB的最高增益以及4. 8dB 的噪聲指數會出現在1532nm且輸入信號功率為-25dBm時，圖6中，當波長 範圍在1528-1562nm間時，可獲得的最大增益變化量為12. 2dB。
圖7顯示包括光放大器14 0的實施例的增益性能以及噪聲指數的曲線變 化圖，該圖包括第一級以及第二級，第一級及第二級具有如前述圖5及圖6 所述的增益性能以及噪聲指數，當輸入信號功率(Pin)為0dB-時丁一最—大增益 變化量為0. 3dB，並且波分復用信號的波長範圍在1528-1562nm的每一波長 的增益都超過H. 8dB,另外在圖7中，最大增益(G)為波長為1532nm的37. 4dB 以及波長為1556nm的37dB，最大增益變化量可在輸入信號功率為-25dBm ^ 曲線中看出，本發明的光放大器可使增益平坦化，並且由於光增益飽和效應 (gain saturation behavior),所以可在更大波長下增力口增益值，換句話說，因為二級光纖放大器包括二個獨立的放大器以串聯結構組成，故所述放大器
的增益可能被加強或是重迭，直到鉺離子的集居量反轉(population inversion)導致光增益飽和才會停止，以上結果證明本發明的光放大器可以 達到高增益，如在波長範圍為1528-1562nm時，增益會超過35dB,並且光放 大器使增益曲線大致平坦，如當輸入信號功率為-25dBm時，最大變化量為 l.ldB，而二級放大器140的光增益飽和特徵會使增益增加到超過較小的增 益區，因此，二級光放大器140不但可以平坦化增益光譜的曲線，還可增為:口 增益。
圖8為本發明光放大器的誤碼率(bit error rate, BER)的測試結果， 誤碼率測試可被用來決定在光傳輸系統中，某一組件可能發生的錯誤的範 圍。
請參考圖8中誤碼率測試結果， 一測試輸入信號，其波長為1550nra,該 信號依照具有模式長度(pattern length)231-1的2. 5Gb/s的非歸零 (non—return—to—zero)偽隨才幾二進位序歹寸(pseudo random binary sequence) ^皮調製，該信號被鈮酸鋰電光調製器(LiNb03 electro optical modulator) 調製，此外2.5Gb/s的光接收器被用來檢測被傳輸的信號，請參考圖8，背 對背耦接組態(back-to-back configuration)的誤碼率，背對背耦接組態包 括傳輸器以及接收器，並且圖8沿著背對背耦接組態的誤碼率標繪，背對, 耦接組態包括有光放大器140，該光放大器設於傳輸器以及接收器之間， 該測試結果明顯可知，當測試輸入信號通過光放大器140時，光功率的損失 約為0. 4dB。
本發明披露具有以光學方式串聯地耦接第 一級210以及第二級22 0的增 益平坦放大器140,在此披露的運算數據(operational data)證明運算輸入 信號波長的 範圍在1528-1562nm之間時，增益會大於35dB,而噪聲指數會在 5. 5-6. 7dB之間，並且當輸入信號功率為-25dBm時，最大增益變化量為 l.ldB，因此，本發明的光放大器140不僅提供了大致平坦且光譜均勻的增 益，更增加波長範圍在1528-1562nm之間的增益值，另外，波長範圍與波分 復用信號有關聯。
以上描述用以說明附圖，並不用以作為本發明的外型的限制或用以限fJ 其它實施例，本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，稱 可作若干的的更改與修飾。例如，請參考圖9， 一可選擇的抽運光源共享第
ii一級210以及第二級220之間的耦接組態，而第三光耦合器912的輸入端與 光源911 (如雷射或發光二極體)耦接，並且第三光耦合器912的第一及第二 輸出端與第一光耦合器213以及第二光耦合器222耦接，第一輸出端用以提 供第一抽運光到達第一光耦合器213，而第二輸出端用以提供第二抽運光到 達第二光耦合器222，第一及第二抽運光由光源911中輸出，並且通過第一 光耦合器213以及第二光耦合器222分別地傳遞至平面波導介質214以及鉺 摻雜光纖223中。因此，本實施例有別於利用二抽運光源來提供第一及第二 抽運光，圖9中的光放大器140僅具有一個光源911，並且通過該光源911 提供第一及第二抽運光。
此外，從另一方面來看，鉺摻雜光纖223也可以被設置在可接收到輸入 波分復用信號的第一級中，包括鉺摻雜平面波導介質214的第一級可能被設 在用以輸出放大後的波分復用信號的第二級中。如之前所述，光放大器140 可使用具有鉺摻雜平面波導介質或是鉺摻雜光纖的二級形式 (two-stage)(包括第一級210以及第二級220)串聯而得。此外，雖然鉺被描 述為平面波導介質214以及鉺摻雜光纖223中的螢光材料(fluorescent material),但仍可使用其它具有對應不同抽運波長的螢光材料，例如其它 稀土元素(rare earth element)。
請參考圖10，該圖的實施例大致同於圖9>其不同處在於本實施例的光 放大器640包括第一級61G以及第二級620，第一級610與第二級的內 部組件與圖9的實施例略有差異，其中第一級610中設置一第一光源611於 第一光隔離器211與第一光耦合器213之間，而第一平面波導M4與第一光 濾波器515依序設置於第一光耦合器213與第二光隔離器216之間，而第二 級620的結構與第一級610大致相同，包括第三光隔離器511、第二光源711、 第二光耦合器222、第二平面波導517、第二光濾波器513以及第四光隔離 器516依序連接，此外，應注意的是第一光通信路徑130a以及第二光通信 路徑130b分別與第一及第二平面波導514以及517耦接。
雖然本發明已以實施例*坡露如上，但其並非用以限定本發明，本領域技 術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，仍可作若干的更改與修飾, 因此本發明的保護範圍當以本申請的權利要求為準。
權利要求
1. 一種光放大器，包括一第一及一第二平面波導，該第一及第二平面波導包括一基板，該基板包括一區域，該區域摻雜一螢光材料，並且該第一及第二平面波導以光學的方式互相耦接。
2. 如權利要求l所述的光放大器，其還包括一第 一 光耦合器，用以結合一 第 一輸入光學信號以及一 第 一抽運光朝向 一第一光通信路徑；以及一第二光耦合器，用以結合一第二輸入光學信號以及一第二抽運光朝向 一第二光通信路徑，該第 一光通信路徑以及該第二光通信路徑分別與該第一 及第二平面波導耦接。
3. 如權利要求1所述的光放大器，其還包括 一光源；以及一第三光耦合器，包括一輸入端、第一輸出端以及第二輸出端，該輸入 端與該光源耦接，該第 一輸出端用以提供該第 一抽運光到達第 一光耦合器， 而該第二輸出端用以提供該第二抽運光到達第二光耦合器。
4. 如權利要求1所述的光放大器，其中該第一及第二平面波導分別包括 一輸出端以及一輸入端，該光放大器還包括一第一光隔離器，通過該第一耦合器與該第一平面波導的輸入端耦接； 一第一光濾波器，被用來適度阻擋該第一抽運光的傳遞，該光濾波器與 該第 一平面波導的輸出端耦接；一第二光隔離器，與該第一光濾波器耦接；一第三光隔離器，通過該第二光耦合器與該第二平面波導的輸入端耦接；一第二光濾波器，被用來適度阻擋該第二抽運光的傳遞，該光濾波器與該第二平面波導的輸出端耦接；以及一第四光隔離器，與該第二光濾波器耦接。
5. 如權利要求1所述的光放大器，其還包括一第一光源，用以輸出該第一抽運光，該第一光源與該第一光耦合器耦 接；以及一第二光源，用以輸出該第二抽運光，該第二光源與該第二光耦合器耦接。
6. 如權利要求1所述的光放大器，其中該螢光材料包括一稀土元素。
7. 如權利要求6所述的光放大器，其中該稀土元素包括一鉺元素。
全文摘要
一種用以使增益平坦的光放大器，其中該光放大器具有大致相等的光譜增益，在一範例中，光放大器包括一第一及一第二平面波導，該第一及第二平面波導包括一基板，該基板包括一區域，該區域摻雜一螢光材料，並且該第一及第二平面波導以光學的方式互相耦接。
文檔編號H01S3/067GK101425850SQ20081017823
公開日2009年5月6日 申請日期2007年6月8日 優先權日2006年6月8日
發明者葉建宏, 甡 祁 申請人:財團法人工業技術研究院