TW383523B - Amplified sensor arrays - Google Patents

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~WW\ 第中頁號專利ΐ.年2月修正 明（7 ) iW—㈣f% (3) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於是感知器數N-1之回返功率最低。由方程式2 ， 此功率決定於耦合率c且當 C--J- (4) N-1 時最大。利用方程式1與2，且假設一最佳耦合率（方程 式4)，最差感知器之雜訊指數爲： (5) 圖4 b表示當感知器數量增加時，最佳被動式陣列（實曲 線）之雜訊指數。假設感知器損失爲L s = 6 d B，且與現 行感知器技術一致。假設超出損失爲L X =每一耦合器區段 0 . 2 d B。圖4 brf示當感知器數量增加時雜訊指數準 快速上升，顯示被動式陣列架構之限制。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 爲得到較長之感知器陣列，’被動式光陣列必須接受各 個別感知器可用功率之降低，且因此產生S NR之退降。 謹記這些限制在心，則在T D Μ感知器陣列中放大S N R 已經是困難的。一解決方案爲增加光源之功率，在短促雜 訊有限之條件下，功率將增加所有回返訊號之S N R。然 而，分佈匯流排能傳輸之最大功率受限於光纖內之非線性 效應。因此被動式陣列設計要提升光源之啓始功率用以補 償耦合器在各感知器內之低功率之能力有限。 發明摘要 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（21 Οχ 297公釐）-1〇 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7_ 五、發明説明（彳） 相關申請案< ‘ 本申請案爲1 9 9 7年三月十一日所歸檔之美國專利 申請案，編號0 8/8 1 4 5 4 8之連續部分申請，其自 1 9 9 6年七月十二日所歸檔之美國臨時申請案，編號 60/021699，1997年元月二曰所歸檔之美國 臨時申請案，編號60/034804，以及199 7年 元月十七日所歸檔之美國，臨時申請案，編號6 0/0 3 6 114中申請優先性· 發明領域 本發明是有關於光纖干涉感知器陸列以及在多工時域 之感知器陣列中將訊號雜訊比加以放大之裝置。 發明背景 光纖干渉感知器陣列在尺寸，電氣介面，及電磁偵測 使電子感知器變.成不切實際之申請案中顯示了希望。這種 干涉感知器能測量一具備非常高動態範圍（如1 2 0 d B )之參數（即，測量値）。光感知器陣列藉萆接一 f使用 光纖電源之感知器加以形成。如一陣列中之各感知器需要 一專用纖維來攜載偵測訊號，則當感知器數量增加時’所 需之大量纖維即快速變成難以處理。於是，因光陣列中之 感知器數量增加，欲維持低纖維數則時域多工是必要的。 已嘗試過電氣與光頻域多工器但不好管理含數百感知器之 陣列。結果，將大感知器陣列組織成長串感知器’其以回 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐) ~~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明説明（15) 輸至一陣列外之偵測器（未示出）。 由於像梯形之陣列1 0 ’從分佈匯流排1 0 〇經由— 感知器1 1 0至回返匯流排1 2 0之各路徑常被指爲一橫 梯。 因訊號必須行經陣列之距離決定於訊號被耦合進來之 感知器，輸出自感知器1 1 0之修改過訊號以不同時距被 放在回返匯流排1 2 0上，其中之時距依感知器1 1 0與 來源間之距離而定。愈接近來源之感知器比那些位於分佈 匯流排1 0 0沿線遠些的感知器較早将修改過之訊號回返 至處理器。依此方式，即將來自光感知器之訊號在回返匯 流排1 2 0作分時多工處理。偵測器以由來源脈衝長度， 脈衝重複率及各感知器間之光距所決定之時距依序接收修 改過之訊號。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 在一被動式陣列中，當陣列中之感知器數量成長時’ SNR遭受到一重大之退降。圖4 b表示’就被動式陣列 而言，雜訊指數位準單調地隨陣列中之感知器數量而增加 。這是因爲各連續感知器耦合器在行至下一耦合前即減弱· 了來源訊號。如耦合率爲0 . 1，則來源訊號之1 0 %即 被耦合入第一感知器，且訊號之9 0 %即被一塊傳送至下 一感知器。串列中之第二耦合器將剩下訊號之1 0 %耦合 入只有原訊號9 %之第二感知器，並將剩下訊號之9 0 % 傳送至只有原訊號8 1 %之下一感知器。於是，提供給感 知器陣列稍後汲中感知器之功率自其原來強度有重大之退 降。於是，如耦合率爲〇 . 1，則第1.0 0個感知器將收 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-18 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 返自以分散間隔放置之感知器之資訊加以施行TDM。一 手丨丨用Τ Γ>Μ之典洇被動式感知器陣列之結構爲梯型架構。 這種設計只有一些光電線且允許小型佈置。預期提供一 種在一陣列中含大量干涉感知器之多工器設計而可保留感 知器之高動態範圍並維持高訊號雜訊比（SNR)。 如圖1所示，利用分離耦合器1 4 0形成一使用 TDM之傳統被被動式光陣列1〇將一分佈匯流排10 0 ψ 耦合器至一光感知器1 1 0之第一端點第二分離耦合 器1 4 2將回返匯流排1 2 0耦合至光感知器1 1· 0之第 二端點。從一來源處（未示出）傳送一偵測信號，此來源 則部分被耦合至一 η個感知器陣列中之第一感知器1 1 0 。剩π >偵測信號繼續沿分佈排至後續之耦合器，其各將 偵測赁r亏斷加以耦合至連續之感知器內。 各感知器根據欲偵測之外來（如聲音的）干擾，從分 庐皤流排1 η η將與它耦合之光訊號加以修改。然後以耦I 合器1 4 2將干墦訊號耦合至回返匯流排1 2 0。然後回 返匯流排自陣列中傳送出干擾訊號加以_處理。 TDM之基本原理如下，光訊號取自來源，沿分佈匯 流排100，經由耦合器14 0，感知器1 10，耦合器 1 4 2及沿回返匯流排1 2 0回返之路徑長度隨各感知器 而不同。因此，回返信號以決定於路徑長度之不同時間間 隔抵達偵測器。爺垮近訊號源之感知器比捺沂陣列端未夕 .,.:〆，·..··一，'、..... . · ·. 感知器有較短之路徑。於是，接近來源之感知器比陣歹IL遠 處之感知器會稍里將回返信號放在回返匯流排上。這假設 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） -------------- I 革-;-I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

IT 五、發明説明（19) ，在每一級都有增益與損失功率，但卻得到最小之整體增 益與損失。在回返匯流排上設置一類似之架構。 圖2所示之架構稱爲耦合器，放大器架構。 本發明避免一般在圖1之被動式陣列所碰上之訊號退 降之問題。即使感知器1 1 0可能遠遠沿著分佈匯流排 1 0 0且訊號也可能已遭上許多先前感知器之耦合，但各 感知器1 1 0卻接收實質上具有相同功率之來源訊號。本 發明也能保持光訊號之功率位準在一可管理之位準，因此 可避免纖維內之非線性效應，當纖維內之光功率增加時就 會發生此效應。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明第二方面爲如圖3所示之陣列1 4。在此實例 中，如圖2中，沿著分佈匯流排1 〇 〇長度插入E D F A 1 3 0，而將其放在耦合器1 4 0之前，使得在招致耦合 損失前可放大來源訊號。設定各放大器1 3 0之增益加以 補償跟在放大器1 3 0後之耦合器1 4 0中之預期訊號功 率損失。在此架構中，光訊號在損失前遭受一可改變耦合 器雜訊特性與最佳値之一項增益。這種架構稱爲放大器-耦合器架構。 圖4 a表示被動式與放大式陣列在每一橫梯一個感知 器及每一陣列1 0 0個橫梯（即，陣列中總共有1 0 〇個 感知器）之耦合器，放大器以及放大器一耦合器之架構下 之最佳分佈匯流排稱合率。圖4 a所示之陣列有一損失 Lx=0 . 2 dB及一感知器損失1^=6 dB。放大式陣 列利用一最佳化之分佈匯流排耦合率加以降低雜訊指數及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~22 - ~ 請 ▲ 閱 背 面 之 注 意 事 項 再( 填 寫 本 頁 A7 ____ B7 五、發明説明（3 ) 經由各感_知器之時間延遲相當均等。然後將訊號傳送至陣 列外，以其它硬體加以依序處理，抽取所感知到之資訊。 根據感知器與來源間之不同距離，因各回返訊號有不同之 萨間延遲，故可能以脈衝形成式加以使用光訊號。根據前 述，各感知器1 1 0回返一脈衝，此脈衝是稍微延遲自由 先前感知器所回返之訊號脈衝，且因此使各種訊號脈衝可 被暫時隔離在偵測器上。爲避免回返信號在回返匯流排 1 2 0與偵測器上重疊，而選取光訊號之略衝長度與鎇率 使得回扳信號弁回返確流棑上不會重疊。 圖8說明一感知器陣列之時序圖，其使用TDM將回 返信號在回返匯流排上多工劃分來作偵測與處理。'在時距 1中，訊號源輸出一長度爲t之偵測脈衝。訊號漉在重置 其本身與重複偵測脈衝前（如時距1 >所示）則等待一 T ^之時距。一.曰已從訊號源發出偵測脈衛，吐脈輕即蓋 分Si谁入各感知；§§。根據各感知器雜訊號源之個別距離， 訊號以不同時間自各感知器加以回返。小心選擇路徑長度 使得可以箸管閏.隔將回返信號放在回返晻流排上，並在回 返信號間只具有一短介入保護帶（T*sw)加以防止訊號丨 _____ 方 重疊。一旦最後一個感知器已回返一訊號N至偵測器，系 統則等待一重疊時距（Τ ί 然後程序重新開始。選取時 距丁$*碓信自最後感知器之回返脈衝Ν含在自第一感知器 之回返Μ衝1/抵達前抵達偵測器加以回應第二偵測脈衝 i 。T8^之典範時距約等於Tsslff。於是，之重複週 期約爲Ν X ( τ + Τ»»*)。例如，就兩相鄰感知器間路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210Χ2.97公釐） 裝 訂 經濟部中央標準局—工消費合作社印製 -6 - A7 B7 正 補充 五、發明説明（20) 3 d B之回返匯流排耦合率。圖4 a表示對於圖2與3所 示之放大式陣列，分佈匯流排上之耦合率不存在一最佳耦 合率且對耦合器，放大器與放大器-耦合器之架構，當感 知器數量增加時，最佳分佈匯流排耦合器即降低。 圖4 b表示兩放大式陣列架構展現相同雜訊指數之相 依性，當N等於2 0 0個感知器時可快速增加至·雜訊指數 3 0 d B，然後由此慢慢成長。達到只有4 4 d B。依比 較，被動式陣列雜訊指數（畫自方程式5 )在整個有興趣 之範圍內成長快速，造成在2 0 0個感知器時非常高的雜 訊指數位準1 4 0 dB。就大感知器陣列（1 〇 〇或更多 感知器）而言，放大式陣列比標準被動式陣列在S N R +上 提供較大之改善。如雜訊指數只能接受不超過，如4 0 d B，則最佳被動式陣列只能有約1 2個感知器，但是放 大式陣列能容納1 0 0個感知器之多，即，接近相同雜訊 指數之被動式陣列之10倍。 本發明之第三方面中，圖2和3所示之各對耦合器 140，142間之單一感知器110爲圖5a所示陣列 1 6中之感知器的次陣列所取代。如上所述，分佈匯流排 1 0 0從外界來源接收一訊號並沿其長度加以攜載。如以 上架構’一部分訊號爲耦合器1 4 0加以分離。然而，星 型纖維耦合器1 5 0則將大槪相等之訊號份數耦合至次陣 列1 6 0之各感知器1 1 〇中，次陣列1 6 0爲一含小量 感知器1 1 0之被動式陣列。星型纖維耦合器1 5 0在次 陣列之感知器中將偵測訊號作等量分離。由星型纖維耦合 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-23 - ----------装-- (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 鱗 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 _____ B7_ 五、發明説明（4 ) 徑差約爲j . 2米之系統而言，選擇r約爲4 0奈秒而 T保**約爲1奈秒。當陣列架構含3 0 0個感知器（即N = 300)時則T*統約爲12 . 3微秒。就此典範架構而 言，約8 Ο Κ Η z之重複率確信回應偵測脈衝之最後回返 信號不會與回應下一偵測脈衝之第一回返信號重疊。留意 到在圖8中並未示出偵測脈衝與第一回返脈.衝間之時間偏 置，因竭置隨自來源至第一感知器，經第一感知器並返回 偵測器之光路徑長度而不同。 T DM之好處爲它允許簡單之質詢技術。不需交換式 硬體，允許降低陣列之成本與尺寸》然而，TDM之其中 一問題爲它降低各感知器可偵測之時間。如各感知器指定 —專用纖維加以報告其偵測之結果，它就可提供一連續之 資訊流。然而，當實旆τ Γ) Μ用以降低纖維數量時’不可 會Ρ有這種連續報告。任何一個咸知器被取樣之時間量降低 至一連續被取樣之感知器的1 /Ν。當感知器數量成長時— ，任一p知器被取樣之時間量與頻率就更降低。 有限之取樣時間增加，訊號雜訊比（SNR)更有意 義。因在TDM下，對一不足樣品作插補運算。表示出一 更長之時距（爲其實際取樣時間之N倍長）’各樣品更必 要被偵測器加以正確解譯。雜訊爲解譯錯誤之一電要來源 _ ........... ，因此須儘可能保持高SNR ’儘可能沿感知器陣列有較. 少S N R之退降。高S N R降低偵測系/統之解譯錯誤數量. 。 / 當偵測訊號經由被動式陣列傳播時會遭受到，大之損 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（21ί)Χ 297公釐） ·Ί _ (請先閱讀背面之注意事項#ί填寫本頁) 裝.

經濟部中央標準局we：工消費合作社印製 五、發明説明（23 ) 至2，增至4時，最佳耦合率値就〇 · 2變至0 . 35 ’ 變至〇.55而雜訊指數保持固定’恰在40dB下。 回返匯流排耦合器1 4 2沒有一最佳耦合率，但如圖 6 c所示，耦合愈高則結果愈佳。雜訊指數位準是針對放 大器一耦合器與耦合器-放大器之架構與次陣列之不同尺 寸來表示。.就所有架構而言’分佈匯流排之親合率最佳且 感知器總數量爲1 〇 〇。當回返匯流排耦合率由〇 . 2增 至〇 . 9 5時，就圖6 c所示之任一架構及每一次陣列有 1，2或4個感知器者而言，其雜訊指數位準退降小於 1 d B。因此可根據放大器泵之考量（較低之耦合率意爲 較低之泵功率要求）’可自由選取回返匯流排耦合。不同 陣列架構之雜訊指數位準分佈，如圖6 a所示，是由於選 取最佳分佈匯流排耦合率而成。 下列定義系統參數： n =次陣列數量 j =每一次陣列之感知器數量 n j =感知器總數量 C d =分佈匯流排（耦合器1 4 0 )之耦合率 Cr =回返匯流排（耦合器1 4 2 )之耦合率 L X =各耦合器區段內之接合與插入損失 L s =感知器損失 n s p =放大器倒轉參數 由於可將放大之自然放射（A S Ε )加進訊號之光放 大器1 3 0與1 3 2之存在，放大式陣列之輸出不再如同 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐）-26 - I--------^---- (請先閔讀背面之注意事項存填寫本頁) -'s Τ # 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（5 ) 失。損失）砌湎含，例如，（1 )纖維損失，接合損尖與 耦会器插人損失，（2 )感知器損失，以及（3 )各耦合 器在分佈與回返匯流排上之電源分離。 用以將光感知器耦合至分佈與回返匯流排之簡單分離 方法（損失項目（3))導致大量損失與SNR之嚴重退 降。從回返匯流排耦合至感知器之偵測訊號中之光線量決 定於耦合器之耦合率。f親合率大槪代表被分至感知器之光 線分數且大槪一減掉耦合率爲從分佈匯流排往下傳至下一 耦合器之光線的分數。高耦会率造成更多功率自分佈睡流 排被傳送至各感知器，但也造成下游感知器之劝窜量較少 。低耦合率增加傳毛下游之功率，但卻限制了各感知器用> 之功率。結果，如以下之討論有一耦合率値，其將來自最 遠感知器之回返功率加以放大。 在一含N個感知器之陣列中，回返自第m個感知器之 功率隨m之增加而隆低（其中，感知器m= 1爲最接近來 源之感知器）。例外的是來自最後之感知器數N之訊囅， 因無耦合率連接且訊號之全部剩餘部分皆通過第N感知器 ，故它沒遭受到分離損失。在圖1所示之被動式光陸列t ，回扳訊號最弱的畏感知器數N— 1 <'欲在一被動式陣列 中達成最佳輸出訊號雜訊比，偵測器（1 )之訊號儘量攜 載光匯流排中非線性效應所允許之功率且偵測器（2 )之 訊號應爲有限之短促雜訊（源自訊號源之大量雜訊支配訊 號雜訊特性之狀況）。‘ 未指定特殊光功率，整合次數，脈衝寬度’重複率，. 本紙張尺度逋用中國國家榡準（CNS ) A4規格（21〇X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項—填寫本頁.) -β A7 B7 88. 2 . 2 3c y'Lj 五、發明説明（26) 數位準之效應。方程式8和9表示對於回返匯流排1 2 0 無最佳耦合率。系統對於CN之選擇非常不敏感。如圖4 a 所示，對於分佈匯流排上之耦合器1 4 0存在一最佳耦合 率。選取超出之損失爲0 . 2 dB，選取感知器損失爲 6dB，以及選取放大器倒轉參數nSP爲1 . 5。在各次 陣列具兩個放大器1 1 0之情況下，在回返匯流排1 2 0 上使用3 d B之耦合器。當陣列中感知器1 1 〇之數量加 時，兩種架構之最佳分佈匯流排耦合C d皆下降。在每一橫 梯一放大器之情形下（每一感知器，每一匯流排一個放大 ----------裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 器）可表示，對於大數量之感知器，最佳耦合率接近(10)

Cd(amplifier-coupler) 訂 以及，對於耦合器-放大器架構

Cd (coupler -amplifitr) 卿-(卜(:祕 (Π) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 兩種架構中Cd之最佳値不只決定於系統中感知器 1 1 0之數量，也決定於感知器損失，超出損失，次陣列 中感知器之數量，以及放大器之倒轉。與圖1中被動式陣 列之近似値1 / N比較，兩個最佳耦合率落在1 / η 1 / 2 。放大器，耦合器架構需要較高之最佳耦合率，對於低數 量之感知器則接近1。下列分析中，因Cd太接近1將需要 具不切實際高增益之分佈放大器1 3 0，就η之値，預測 Q之最佳値接近1，其實際上被限制爲〇 . 9 5。類似的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）_ 29 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ___B7 _ 五、發明説明（6 ) 以及需要決定絕對輸出SNR之濾光，下列方程式定義可 用以比龄不同陣列架構之系統雜訊指數成份。有興趣之雜 訊指數爲除以陣列中最差感知器（第N—1個感知器）輸 出SNR之輸入源SNR。系統雜訊指數（NF)定義爲

.此定義與放大器雜訊之古典定義一致，但此處用以說 明整個系統爲一放大損失之轉換。 爲決定系統之雜訊指數，必須計算與系統各種元件相 關聯之損失（如，接合損失，分離損失，耦合器損失等） 。這些損失（L)以dB (特別是負dB)作考量。這些 損失亦可以傳輸作爲考量。例如，_3 失爲5 0 %之傳輸而一10 dB之損失爲10%之傳輸°假設各感 知器分送相同之損失L s給訊號而由於接合與耦合器插入 造成之超出損失對於所.有稱合器區段皆相.问且等於L X。 當所有耦合器皆表現出相同之耦合率c時則表示從感知器. 數r-回至偵測器之功率爲： P，U-C^f2C2L· for m<N (2) 就圖1所示之實例而言，因感知器Nl接連接至分佈 纖維而非加以耦合器，故感铂器N比感知-器N — 1接收更 多之光功率。感知器N之功_爲： -----Γ----—裝---1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X 297公釐） _ 9 - A7 B7 修止.紙2, 23 e、本年另曰 --- 立、|明訊仴（27 ) ，匕Q太接近1將需要一具不切實際高增益之回返放大器 13 2。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 感知器損失數字也影響最佳耦合率。以上情況中，假 設感知器損失爲6 d B。這樣的選擇說明在非平衡Mach-Zehnder感知器中3 d B之損失及線圈式感知器中3 d B纖 維之彎曲損失。對於被動式與放大式陣列而言，圖7 a表 示不同之感知器損失對具備1 0 0個感知器之陣列中最差 感知器之雜訊指數的效應。當感知器損失增加時，被動式 與放大式陣列皆遭受訊號之雜訊指數退降。在感知器損失 爲0至15dB之範圍中，放大式陣列最多退降8dB， 而被動式陣列退降1 5 d B。如圖7 a所示，放大器，耦 合器陣列架構比耦合器-放大器架構多一個好處。當感知 器損失爲零時，兩架構開始只離開0 . 3 d B。然而，感 知器損失爲1 5 d B時一放大器-耦合器架構之雜訊指數 位準幾乎在耦合器，放大器架構下面2 d B。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖7 b表示在每一次陣列具一個感知器之1 〇 0個感 知器陣列中，超出損失對被動式與放大式陣列之效應。當 匯流排上之超出損失，在每一耦合器區段上由0增加至1 d B時，放大式陣列只受到2 d B雜訊指數位準之退降。 最好，在放大式陣列中，當遇到額外損失時即加入額外之 增益使得增益總是等於損失。在沒有超出損失下，被動式 陣列雜訊指數位準以1 .d B之接合與耦合器損失，從5 5 dB增加至2 5 5 dB之多。這表示被動式陣列對於零件 損失極度的敏感性，而當零件損失增加時，只要預先知道 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） ~WW\ 第中頁號專利ΐ.年2月修正 明（7 ) iW—㈣f% (3) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於是感知器數N-1之回返功率最低。由方程式2 ， 此功率決定於耦合率c且當 C--J- (4) N-1 時最大。利用方程式1與2，且假設一最佳耦合率（方程 式4)，最差感知器之雜訊指數爲： (5) 圖4 b表示當感知器數量增加時，最佳被動式陣列（實曲 線）之雜訊指數。假設感知器損失爲L s = 6 d B，且與現 行感知器技術一致。假設超出損失爲L X =每一耦合器區段 0 . 2 d B。圖4 brf示當感知器數量增加時雜訊指數準 快速上升，顯示被動式陣列架構之限制。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 爲得到較長之感知器陣列，’被動式光陣列必須接受各 個別感知器可用功率之降低，且因此產生S NR之退降。 謹記這些限制在心，則在T D Μ感知器陣列中放大S N R 已經是困難的。一解決方案爲增加光源之功率，在短促雜 訊有限之條件下，功率將增加所有回返訊號之S N R。然 而，分佈匯流排能傳輸之最大功率受限於光纖內之非線性 效應。因此被動式陣列設計要提升光源之啓始功率用以補 償耦合器在各感知器內之低功率之能力有限。 發明摘要 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（21 Οχ 297公釐）-1〇 - 修王 補充 祖 本 A7 B7 經濟部中央操準局員工消費合作社印製 五、發明説明（28) 這些損失且包含足夠之增益用以補償較高之插入損失，放 大式陣列保持十分穩定。典型之接合與插入損失約爲 〇 . 2 d B，這給予被動式陣列增加4 0 d B之雜訊指數 卻使放大式陣列相當地不加變動。 放大式陣列淸楚地超越標準被動式陣列，當耦合率爲 最佳時，在偵測器造成一較低之系統雜訊指數及改善之 ' S NR。就實際之接合與插入損失位準，放大式陣列顯示 具許多感知器之陣列有對等之S N r待性，並比被動式陣 列之感知器數量大小大一階。最佳耦合率決定於陣列架構 及陣列之感知器數量，並提供優選設計參數使放大式感知 器陣列之S NR達最大。在所有狀況下，放大器—耦合器 架構已表示出超越耦合器-放大器架構，並在所有相關之 參數中表示稍低之雜訊指數位準。對於慮及纖維數與系統 複雜性之大型感知器之佈署而言，放大式T D Μ陣列比傳 統被動式T D Μ陣列表現出重大之希望。 雖然以上說明與感知器陣列有關，其中，各感知器有 一輸入及一輸出且其中，感知器陣列含一分佈匯流排與一 回返匯流排，我們應了解到感知器能以雙向感知器加以操 作並以作爲分佈匯流排與回返匯流排之雙向匯流排加以操 作。圖9中說明這種陣列2 0 0。陣列2 0 0含一單一光 匯流排2 0 4 (如，光纖），配合圖2之如上說明，單一 光匯流排2 0 4延伸在泵雷射來源1 0 2與泵雷射來源 1 0 4之間。上面亦說明訊號源1 0 6之輸出，且將泵雷 射來源1 0 4經由分波長多工器2 0 8耦合至光匯流排 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -装-

<tT 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）_ 31 · A7 B7 五、發明説明（8 ) 因S_N R在一 T DM光崽知器陣列之效能上爲一大因 素，如在造成偵測訊號內之雜訊位準爲高，則無法接近現 行感知器技術之限制且永遠無法開拓高感度感知器之利益 。爲此緣故，必須笋@感知器陣列之架構與設計參數加以 縮小S N R因分離、，其它纖維損失及其它雜訊存在造成之 退降》本發明在耦合器之間加入光放大器，重大改善被動 式陣列中之S N R用以補償耦合器之分離損失。 本發明之一有利實例中，沿訊號路徑在耦合器間棰夂 光放大器》將放大器增含势計成可補償由於先前耦合器與 其它纖維損失造成之損失。依此方式，當陣列中之感知器 數量增加時可維持總S NR沒有重大之退降。本發明第一 方面，放大婴沿著分佈與回返匯流排，直接位於耦合器後 (最後感知器除外）。本發明第二方面，放大器直接位於 耦合器前。 在一實例中，光放大器含接合在分佈？回遮匯流排勺 之短長度之摻餌纖維。對摻餌纖維而言可在1 4 8 0 nm 或9 8 0 nm下且對摻餌/鏡纖維而言可在1 0 6 0 nm 下，利用不昂貴之泵源，從陣列之一或兩端末對放大器加 -· ' 以激勵。 當設置分佈匯流排耦合率爲最佳婷避司改普S N R。 最佳耦合率値決定於放大器架構，超出損失與其它架構參 數。 沿分佈及回返匯流排將感知器編組成平行架構可達到 額外利益。依此方式，可重大增加感知器數量而不需對應 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 背 I面 之 注 意 二事 項 再( 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -11 - - ΓΚ7 本年月 A7 B7 ϋ明説切(32) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 一訊號脈衝（即，一光輸入訊號）發放至分佈匯流排 3 0 0內。以增益爲G d之第一放大器3 0 2對脈衝加以放 大，第一耦合器3 0 4運送脈衝之一部分Dd至第一橫梯 3 0 6，且將剩下部分（1, 一 C d )傳送至後續放大器 3 0 2。將各放大器3 0 2之增益設定成在下一個放大器 之前可正確地補償所有的後續損失（多半爲耦合器之分離 損失及接合損失）。訊號脈衝依此方.式開始沿分佈匯流排 3 0 0進行且將一等量之訊號功率提供給所有的感知器 3 1 0。類似地，經由耦合率Cr之耦合器3 1 4將來自各 感知器3 1 0之訊號脈衝（即，一光回返訊號）耦合至一 回返匯流排3 1 2上。已在回返匯流排3 1 2上之訊號碰 上一耦合器並將其功率之分數（Ι-Cr)傳輸至增益爲Cr 之後續放大器。再來，各放大器正確地加以補償介於放大 器間之損失並提供沿回返匯流排3 12至一偵測器（未示出 )之訊號的整體傳輸。各感知器回返大且類似量之訊號至 偵測器作爲輸出訊號，使得所有感知器相同SNR及相同敏 感度。適當選取訊號脈衝寬度與耦合器間之距離，就不會 有兩回返訊號脈衝在回返匯流排300上重疊。（見，例如 ，1987年7月，第LT-5冊之光波技術報誌，第1 0 1 4 — 1 0 2 3 頁中’由 J.L_Brooks，B.Moslehi，B.Y..Kim，及 H.J.Sh aw所寫之 '' 遠地光纖干涉感知器陣列之時域定址〃）。回 返自第一感知器之訊號脈衝首先抵達，而回返自最後感知 器之訊號脈衝最後抵達。將後讀訊號脈衝發放至分佈匯流 排3 00內，使得由後讀訊號脈衝產生之輸出訊號不會與由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-35 - A 7 B7 五、發明説明（9 ) 增加所需负大器之數量。多重感知器之平行編組可增加感 知器密度而不需對應地增加放大器或耦合器之數量。藉降 低放大器與耦合器之總數量，此設計可改善SNR，因此 降低放大器之自然發射雜訊與耦合損失。也降低泵功率之 需求。對於一相當數量之感知器，本發明這方面也允許較 小尺寸之陣列。 本發明一方面爲一贪許多感知器之光感知器架構’這 些感知器接收光訊號並輸出干擾光訊號。將一分佈匯流排 耦合至各感知器將光訊號分佈至各感知器。將一·回返匯流 排耦合至各感知器，加以從各感知器接收干擾光訊號並加 以包含作爲回返訊號之一部分。許多第一光放大器'分併在· 沿分佈匯流排長度之選取位置，維持分佈光訊號之功率在 一選取位準。許多第二.光筚大器分佈在沿回i應流排長 之選取位置，維持回返訊號干擾光訊號之功率。. 本發明另一方面爲含許多感知器組之光感知器架構8 各感知器組含至少一個可接收光訊號與輸出干擾光訊號之

I 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 感知器。胳一芬佈匯流排耦合至各感知器組並將光訊號分 佈至反感知器組。將一回返匯流排耦合至各感知器組加以 從各感知器組接收干璦訊號。許汐弟一光放大器分佈在笔L 分佈匯流排長度之選取位置，維持各咸知器組光訊號之動 力在一適當位準。許多笛二来放大器分佈在沿回返匯流排_ 長度之選取位置，維持在回返匯_逋排上之干攝平訊號之勲 力。 v 本發明再一方面爲一光感知架構’其含許多感知參數 -12- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 修一 本 A7 B7 五、發明説明（33) 先前發放之訊號脈衝所產生之輸出訊號重疊，因此，允許 暫時解決個別之脈衝。訊號脈衝沿著匯流排3 0 0及 3 1 2兩者行進，在每一級均獲得及損失功率，但未遭到 整體之增益或損失。藉著週期性地將訊號加以再生，克服 了被動式陣列之基本限制。以來自一（或多）個泵雷射之 泵訊號（見圖1 0 )可從陣列3 2 0之前端在遠地即可激 勵所有放大器。耦合器在設計上爲分波長多工使得泵僅沿 匯流排3 0 0及3 1 2傳播而永遠不會被耦合至橫梯 3 1 0內。第一放大器3 0 2之泵功率甚大於放大器之泵 臨界値；因此，第一放大器處於高泵飽和狀態。它吸收小 分數之投射泵功率並將大量剩餘功率傳輸至亦在高泵飽和 狀態下運作之下游放大器。栗功率需求爲將足夠之功率發 放至各匯流排使得最後一個放大器仍有夠高之栗功率作適 當運作。最後結果爲可從一遠地位置對數十個低增益之放 大器激勵適量之泵功率（在14 8 Omm處爲1W)。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 欲維護陣列3 2 0之模組設計，在分佈匯流排3 0 0 上之所有耦合器3 0 4最好一樣（相同之耦合率C d )且所 有放大器最好有相同長度（相同增益Gd)。類似地，在回 返匯流排3 1 2上之耦合器3 1 4 (耦合率Cr)與放大器 3 1 6 (增益Gr)最好一樣，雖然<3<1與（：『可能不同， 且Gd與Cr可能相異。在各匯流排上之第一放大器（亦即 最接近個別泵源之放大器）比最後的放大器接收及吸收更 多之泵功率，所以第一放大器之增益大於最後的放大器之 增益。然而，這些增益差對高泵功率而言爲小且可被忽略。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-36 - B7 五、發明説明（10 ) B7 之裝置 二光訊 隔開之 裝置隔 本 法，此 方法利 至各感 號被耦 /將第一光訊號分佈茧各感知器裝置之 號從各感知裝置加以回返之裝置；將沿 第一光訊號加以放+之許多裝置；以及 開之第二光訊號加以放大之許多裝置。 發明再一方面爲降低訊號中雜訊指數位 訊號係回返自一感知器架構並用以產生 用許多感知器加以產生輸出訊號。光訊 t 知器之分佈匯流排加以傳輸。自各感知 裝置；將箪 者分佈裝置 將沿著回返 準之一種方 光輸出。本 號經由耦合 -請 「先 閲 讀 背 面 之 注 % 項 再丨 器之輸出訊 合至一回返訊號，此回返訊號是經由一耦合至各感 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 知器之回返匯流排加以攜載。光與回返訊號沿著分佈與回 返匯流排作多汲放大，增大感知器架構內之訊號雜訊比。 本發明再一方面爲一光感知器陣列之最佳化方法。本 方法提供一種位於分佈纖維與回返纖維_軋.之冉惑笫器陣落-，其中，分佈纖維傳播來自來源之輸入光訊號，而回返纖 維將干擾光訊號回返至一偵測器。以一個別輸入耦合器將 各光感知耦合至分佈纖維且以一個別輸出耦合器將各光感 知器耦合至回返纖維》許多放大器被插入在輸入分佈纖維 與回返纖維上之選取位置》放大器可補償陣列^損失。選 取耦合器之耦合比與放大器之增益使系統雜訊指數達最佳 化。系統之雜訊指數爲輸入光訊號__之訊號-朝比對具最低 ..- ..· -·.·.· ·' -- --- 訊號雜訊比之感知器中之光訊，號的訊號雜訊比的hh率。 本發明又再一方面爲一光感知器陣列之最佳化方法。 本方法提供一種以許多耦合器耦合至一光纖之光感知陣列 。以許多放大器將在光纖內傳播之光訊號加以放大’用以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） 13 修三 補亦. 磁年 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（64) 圖1說明未加以放大之被動式感知器陣列。 圖2說明如本發明第二方面所說明之放大器-耦合器 架構中之放大式陣列。 ' 圖3說明如本發明第二方面所說明之放大器一耦合器 架構中之放大式陣列。 圖4 a.針對每一橫梯一個感知器之耦合器一放大器與 放大器-耦合器架構說明被動式陣列與放大式陣列的最佳 分佈匯流排耦合率。 圖4 b說明針對被動式與放大式陣列而言，當感知器 數量增加時，最差感知器之雜訊指數，其中，就放大式之 陣列而言’所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 圖5 a說明根據本發明第三方面之一放大式陣列，其 在次陣列與耦合器。放大器架構中具備多重感知器，本架 構利用星型纖維耦合器在各次陣列中加以分佈訊號。 圖5 b說明類似於圖5 a之一放大式之陣列，其中， 在各次陣列中有設置一分佈匯流排與一回返匯流排。 圖6 a就各種分佈匯流排耦合率與1 〇 〇個感知器長 之放大器，耦合器架構中之感知器次陣列中之各種感知器 數量說明圖5 a中所示感知器陣列之最差感知器的雜訊指 數，其中所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 圖6 b就各種分佈匯流排耦合率與1 〇 〇個感知器長 之耦合器，放大器架構中之感知器次陣列中之各種感知器 數量說明圖5 a中所示感知器陣列之最差感知器的雜訊指 數，其中，所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-67 - _!!1!，、裝！| 訂·！ I {請先閲讀背面之注意事項再填貧本頁) 線 ¥ 經濟部中央樣隼局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（11 ) 補償陣列> 之損失。選取耦合器之耦合率及放大器之增益 使系統雜訊指數達最佳化。系統之雜訊指數爲輸入光訊號 之訊號雜訊比對具最低訊號雜訊比之感知器中之光訊號的 訊號雜訊比的比率。 本發明又再一方面爲一光感知器架構。本架構含接收 輸入光訊號以及回應所感知到之參數加以輸出干擾光訊號 之許多感知器。至少一光纖將光訊號分佈至各感知器年回 訊號。許多光放大器分佈在沿至 少一光纖長度之選取位置，維持分佈光訊號與回返干擾光 訊號之功率在一選取位準。 本發明另一方面爲一含接收與分佈光輸入訊號·之分佈 匯流排的一種光感知器陣列架構。分佈匯流排傳播一_分佈 匯流排泵訊I。回扳匯流排接收許多光回返訊號並提供光 回扳訊號作爲輸出訊號》回返匯流排傳播一回返匯流排泵 訊號》許多橫梯耦合在分佈匯流排與回返匯流排之間。各 橫梯舍至少一感知嚴，其接收光輸入訊號之一個別部分並 產生其中之一光回返訊號。許多在分佈匯流辨中立皂λ I-故女器會對分佈匯流棑S訊號加以[ϋ應。輸入光放大器將 光輸入訊號加以放大並具備增益用以對各橫梯來維持光輸 入訊號在一選取之訊號位準》許多在回返匯流排中之輸出 光放大器會對回返匯流排泵訊號加回應。輸出光放大.择瞪 在横梯中之感知號加以放大並具備*_琶上 大小等於光回尾訊號之it名二般而言，放大器之增益以 較大之泵能量加以激勵時較大。最好，分佈匯流排泵訊號 ^紙張尺度適用中國國家標準（0灿）八4規格（210父297公釐） 77 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 A7 ____B7_五、發明説明（12) 與回返匯^流排泵訊號進入分怖匯流排與回返匯流排之各端 。分佈栗訊號可能導致輸入光放大器之不均等激勵以及輸 入光放大器個別增益之差異。回返匯流排泵訊號可能導致 輸出光放大器之不均等激勵以及輸出光放大器個別增益之 差異。輸入光放大器，輸出光放大器與橫梯之位置使得此 架構定義許多包含輸入光放大器與輸出光放大器不同組合 之光路徑，這些光放大器有個別之累積增益。選取輸入光 t 放大器與輸出光放大器之增益使得在光路徑間之累積增益 差降低，因此可降低架構之雜訊指數。 本發明另一方面爲一種降低光感知架構雜訊指數之方 法。本方法含提供分佈與回返匯流排，而泵能量則'經由這 ' , L · 些匯流排傳播。栗能量提供增益猞位於分佈與回返匯流挖 沿線之光放大咢。本方法更含提供許多橫梯與耦合器。耦 合器將各橫梯連接至分佈與回返匯流排。各橫棒含至少一 個感知器，它可接收發送至分佈匯流排內之光輸入訊號之 一個別部分。感知器產生進入回返匯流排之個別光回返訊 號。本方法更含選取各橫梯中之橫梯數量以及感知器數量 用以提供大槪等於預期總感知器數量之感知器總數量。選 取橫梯中之橫梯數量與感知器數量，降低光感知器架構之 . ·，* I ----- ' ' 雜訊指齡。根據本方法之某一實例中，選取撗梯中之橫梯 數量與感知器數量甩以降俾，但非降低最小’雜訊指數’ 使亦降低分佈與回返泵功率之需求。在某些實例中也選取 輸入訊號之份數用以針對光輸入訊號以及分佈與回返泵訊 號之某些位準降低光感知器架構之雜訊指數，其中’光輸 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（13) 入訊號是-以分佈匯流排中之耦合器耦合至橫梯中。 本發明另一方面爲一種降低光感知器架構雜訊指數之 方法。本方法含提供分佈與回返匯流排，而泵能量則經由 這些匯流排傳播。泵能量提供增益給位於分佈與回返匯流 棑沿線之光放大器。本方法更含提供許多橫梯與耦合器。 耦合器將各橫梯連接至分佈與回返匯流排。各橫梯含至少 —個感知器，它可接畋發送至分佈匯流排內之光輸入訊號 之一個別部分。感知器產生進入回返匯流排之個別光回返 訊號。本方法更含選取以分佈匯流排之耦合器耦合至橫梯 之光輸人訊號的個別份數W号以冋返匯流排之耦合器耦合_ 至回返匯流排之光回返訊號的個別份數，闬以針對大槪等 矜預期總感知器數量之感知器數暈加以降低允靡 产之雜訊指數。、 本發明另一方面爲一種含傳播泵能量之分佈匯流排與 回返匯流排之光感知器架構》泵能量提供增益給位於分佈 與回返匯流排沿線之光放大器。本架構含許多橫梯與許多 耦合器。耦合器將各橫梯連接至分佈與回返匯流排。各橫 梯含至少一個感知器，它可接收發送至分佈匯流排內之光 輸入訊號之一個別部分。感知器產生進入回返匯流排之個 別光回返訊號β各橫梯中之橫梯數量與感知器數量提^共_友、 槪等於總感知器預期數量之感知器總敷_骨。選取橫梯中1 橫楝敷量趄感知器數量用以降低光感知翠刼構之雜訊指靆 --............. 〇 本發明另一方面爲一種含傳播泵能量之分佈匯流排與 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. -訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16 - A7 B7 五、發明説明（14 ) 回返匯流^排之光感知器架構。泵能量提供增益給位於分佈 與回返匯流排沿線之光放$器。許多橫梯與許多耦合器將 各橫梯連接至分佈與回返匯流排》各橫梯含至少一感知器 ，它可接收發送至分佈匯流排內之光輸入訊號之一個別部 分。感知器產生進入回返匯流排之個別光回返訊號。選W 以分佈匯流排之耦合器耦合至橫梯之光輸入訊酽的個別份 _數以及以回返匯流排之耦合器耦合至回坂匯歡避之半返 餌號的個别份數，用以釙對大槪筝於嘎1總感知器數量之 _ . I . 感知器總數量加以降低光感知架構之雜訊指數。 優選實例詳細說明 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 將被動式陣列1 0依圖1所示分式加以建置即可將被 動式陣列設計成可施行訊號之分時多工（TDM)。分佈 匯流排1 0 0沿其長度攜載一來自已知來源之偵測訊號。 分佈匯流排1 0 0連接至許多耦合器14 0，耦合器將偵 測訊號從分佈匯流排1 0 0耦合至以固定間距位於分佈匯 流排1 0 0長度沿線之許多感知器1 1 0。各耦合莩 1 4 〇胺μ測訊號從分佈確流排1 〇 〇部分地耦合至各感 知器1 1 0之第一端點。然後各感知器1 1 搾外界之 干摁〈未示出），諸如，在地震探測活動時所偵測到之聲 音訊號，對偵測訊號加以修改。各感知器1 1 η +笛—， 點經由一耦合器1 4 2連接到一同返匯流排1 〇 η。冋返 〆·-〆 匯流排於是從允感知器1 1 0接收修改過之訊號並將其傳 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

五、發明説明（15) 輸至一陣列外之偵測器（未示出）。 由於像梯形之陣列1 0 ’從分佈匯流排1 0 〇經由— 感知器1 1 0至回返匯流排1 2 0之各路徑常被指爲一橫 梯。 因訊號必須行經陣列之距離決定於訊號被耦合進來之 感知器，輸出自感知器1 1 0之修改過訊號以不同時距被 放在回返匯流排1 2 0上，其中之時距依感知器1 1 0與 來源間之距離而定。愈接近來源之感知器比那些位於分佈 匯流排1 0 0沿線遠些的感知器較早将修改過之訊號回返 至處理器。依此方式，即將來自光感知器之訊號在回返匯 流排1 2 0作分時多工處理。偵測器以由來源脈衝長度， 脈衝重複率及各感知器間之光距所決定之時距依序接收修 改過之訊號。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 在一被動式陣列中，當陣列中之感知器數量成長時’ SNR遭受到一重大之退降。圖4 b表示’就被動式陣列 而言，雜訊指數位準單調地隨陣列中之感知器數量而增加 。這是因爲各連續感知器耦合器在行至下一耦合前即減弱· 了來源訊號。如耦合率爲0 . 1，則來源訊號之1 0 %即 被耦合入第一感知器，且訊號之9 0 %即被一塊傳送至下 一感知器。串列中之第二耦合器將剩下訊號之1 0 %耦合 入只有原訊號9 %之第二感知器，並將剩下訊號之9 0 % 傳送至只有原訊號8 1 %之下一感知器。於是，提供給感 知器陣列稍後汲中感知器之功率自其原來強度有重大之退 降。於是，如耦合率爲〇 . 1，則第1.0 0個感知器將收 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-18 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __B7__五、發明説明（16 ) 到只有偵ll訊號原來強度Ο . 9 9 9 x Ο . 1 (即， 0 . 0 0 3 % )，之偵測訊號。而且，回返偵測器之功率 只有偵測訊號原來強度（假設在感知器中無損失）之（ 0 . 0 9 9 9 X 0 . 1) 2 (即， 〇.〇〇〇〇〇〇〇〇〇 9%) » 圖2表示本發明第一方面爲一耦合器，放大器架構之 陣列1 2，其利用摻雜餌之纖維放大器（E D F A ) 130，132加以預防SNR之退降。當EDFA 1 3 0，1 3 2經過睦列時可週期性地黄新產生光訊號。 接合一段摻餌之纖維至分佈與回返匯流排內加以形成 EDFA1 30，1 3 2。利用放大器泵雷射，摻·餌之纖 維可作爲一光坤大器用。也可使用任何數量之不同型纖維 波導光放大器。鏡：餌：玻璃纖維與摻鈸之L i N b' 0 3 波導處在許多不同型之光放大器中，本發明可有利地利用 這些光放大器加以取代摻餌之纖維放大器。 理想上，摻餌之纖維應從各匯流排（即，分佈匯流排 1 0 0與回返匯流排1 2 0 )兩端，以1 4 8 0 n m之波 長被加以激勵。這降低所需之整體泵功率，確信每一放大 器都有足夠之功率》特別是，將第一泵雷射1 0 2耦合至 分佈匯流排1 0 0之第一端點使得實質上所有的泵光源皆 被耦合至分佈匯流排1 0 0內，並沿分佈匯流排1 Q 0作 前向傳播。將第二泵雷射1 0 4耦合至分佈匯流排10 0 之相對端使得從第二泵雷射1 0 4之泵光源可由分佈匯流 排1 0 0作反向傳播。分佈匯流排1 0 0沿其長度攜載賴 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） -19- 經濟部中央標隼局員工消費合作杜印製 A7 ______B7 ___五、發明説明（17) 合自訊號源1 0 6之光訊號。訊號源1 0 6經由一分波長 多工器1 0 8加以親合至分佈匯流排。在所示之實例中， 選取分波長多工器1 0 8實質上將來自訊號源1 0 6之所 有訊號光源耦合至分佈匯流排1 0 0。如本技藝中已明知 ，實質上沒有來自泵源1 0 2之光源被分波長多工器 1 0 8加以耦合，使得泵光源保留在分佈匯流排1 0 0中 〇 .分佈匯流排1 0 0般連接至耦合器1 4 0，耦合器 1 4 0將分佈耦合器，i 0 0耦合至以固定間距位於分佈匯 -流排1 ο 〇長度沿線之号ri感知器1 1 〇。分佈匯流排也 被連接至許多摻餌之纖維放大器1 3 0，這些放大器位於 分佈匯流排1 0 0沿線並直接位於各耦合器1 4 0後。各 耦合器1 4 0將來自分佈匯流排1 0 0之偵測訊號部分地 耦合器至各感知器1 1 0之第一端點。最佳實用之放大式 陣列之耦合率一般比最佳實用被動式陣列大許多。各感知 器1 1 0則根據外界輸入（如，聲音訊號，未示出）加以 修改訊號。 各耦合器1 4 2將各感知器1 1 〇之第二端耦合至回 返匯流排1 2 0，回返匯流排1 2 0從感知器1 10接收 修改過之訊號並將其回返至感知器陣列外界之偵測器 1 2 6 »以放大器1 3 2將回返匯流排訊號加以放大加以 補償回返耦合器1 4 2所作之訊號分離。放大器1 3 2從 第三泵雷射1 2 2接收泵功率，第三泵雷射1 2 2將泵光 源耦合至回返匯流排1 2 0之第一端點，在回返匯流排 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20 · A 7 ______B7__ 五、發明説明（18 ) 1 2 0中_之第一方向並從第0泵雷射1 2 4加以傳播，第 四泵雷射1 2 4將光源耦合至回返匯流排1 2 0之相對端 在來自第三泵源1 2 4光源之相反方向加以傳播。以分波 長多工器1 2 8將偵測器1 2 6耦合至緊鄰第一端之回返 匯流排1 2 0，多工器1 2 8以訊號波長將光源從回返匯 流排1 2 0耦合至偵測器1 2 6，但偵測器1 2 6並不以 泵波長加以耦合光源》, 在本發明之一有利實例中，將光訊號耦合至與自個別 感知器之訊號耦合器]40，142的是分波長。 將分渖長多工器建構成R將預選之波長耦合至感知器15。 未在預選波長中其中之一波長之光線則不加以耦合而穿經 過分波長多工器。藉預選訊號波長爲要加以耦合之波長， 本發明只能將光訊號耦合至感知器內，允許放大器泵光源 穿經未加以耦合器之多工器。當沿著分佈匯流排前進時， 這就防止了放大器泵光源之重大退降。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 一旦來源訊號穿經第一耦合器1 4 0至第一光感知器 1 1 0時，留在分佈匯流排1 0 0上之訊號則被其中之一 EDFA1 30加以放大，EDTA1 30有選取一增益 用以增加光訊號之功率使其回至原來光訊號之近似功率（ 如90〜110%)。選取EDFA130之增益，實質 上用以補償由前述立即耦合與外界損失造成之訊號功率損 失。當訊號連續自分佈匯流排之長度往下走時，即以另一 耦合器1 4 0及光放大器1 3 0，對訊號加以連續耦合器 與放大器。依此方式，輸入脈衝沿分佈匯流排1 〇 〇行走 -21 - (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（19) ，在每一級都有增益與損失功率，但卻得到最小之整體增 益與損失。在回返匯流排上設置一類似之架構。 圖2所示之架構稱爲耦合器，放大器架構。 本發明避免一般在圖1之被動式陣列所碰上之訊號退 降之問題。即使感知器1 1 0可能遠遠沿著分佈匯流排 1 0 0且訊號也可能已遭上許多先前感知器之耦合，但各 感知器1 1 0卻接收實質上具有相同功率之來源訊號。本 發明也能保持光訊號之功率位準在一可管理之位準，因此 可避免纖維內之非線性效應，當纖維內之光功率增加時就 會發生此效應。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明第二方面爲如圖3所示之陣列1 4。在此實例 中，如圖2中，沿著分佈匯流排1 〇 〇長度插入E D F A 1 3 0，而將其放在耦合器1 4 0之前，使得在招致耦合 損失前可放大來源訊號。設定各放大器1 3 0之增益加以 補償跟在放大器1 3 0後之耦合器1 4 0中之預期訊號功 率損失。在此架構中，光訊號在損失前遭受一可改變耦合 器雜訊特性與最佳値之一項增益。這種架構稱爲放大器-耦合器架構。 圖4 a表示被動式與放大式陣列在每一橫梯一個感知 器及每一陣列1 0 0個橫梯（即，陣列中總共有1 0 〇個 感知器）之耦合器，放大器以及放大器一耦合器之架構下 之最佳分佈匯流排稱合率。圖4 a所示之陣列有一損失 Lx=0 . 2 dB及一感知器損失1^=6 dB。放大式陣 列利用一最佳化之分佈匯流排耦合率加以降低雜訊指數及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~22 - ~ A7 B7 正 補充 五、發明説明（20) 3 d B之回返匯流排耦合率。圖4 a表示對於圖2與3所 示之放大式陣列，分佈匯流排上之耦合率不存在一最佳耦 合率且對耦合器，放大器與放大器-耦合器之架構，當感 知器數量增加時，最佳分佈匯流排耦合器即降低。 圖4 b表示兩放大式陣列架構展現相同雜訊指數之相 依性，當N等於2 0 0個感知器時可快速增加至·雜訊指數 3 0 d B，然後由此慢慢成長。達到只有4 4 d B。依比 較，被動式陣列雜訊指數（畫自方程式5 )在整個有興趣 之範圍內成長快速，造成在2 0 0個感知器時非常高的雜 訊指數位準1 4 0 dB。就大感知器陣列（1 〇 〇或更多 感知器）而言，放大式陣列比標準被動式陣列在S N R +上 提供較大之改善。如雜訊指數只能接受不超過，如4 0 d B，則最佳被動式陣列只能有約1 2個感知器，但是放 大式陣列能容納1 0 0個感知器之多，即，接近相同雜訊 指數之被動式陣列之10倍。 本發明之第三方面中，圖2和3所示之各對耦合器 140，142間之單一感知器110爲圖5a所示陣列 1 6中之感知器的次陣列所取代。如上所述，分佈匯流排 1 0 0從外界來源接收一訊號並沿其長度加以攜載。如以 上架構’一部分訊號爲耦合器1 4 0加以分離。然而，星 型纖維耦合器1 5 0則將大槪相等之訊號份數耦合至次陣 列1 6 0之各感知器1 1 〇中，次陣列1 6 0爲一含小量 感知器1 1 0之被動式陣列。星型纖維耦合器1 5 0在次 陣列之感知器中將偵測訊號作等量分離。由星型纖維耦合 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-23 - ----------装-- (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 鱗 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（21) 器1 5 (Γ所分離之訊號經由感知器1 1 0之個別訊號加以 傳播並以另一星型耦合器1 5 2與耦合器1 4 2加以耦合 回至回返匯流排1 2 0上。亦次陣列1 6 0之各纖維選取 一不同長度，經過次陣列1后_0各訊號路徑之長度是唯一 的。當使用分時多工時，這防止來自次陣列1 6 0中各感 知器1 1 0之脈衝在時間上重疊在回返匯流排1 2 0。而 且，自次陣列中最後一脲感知器之總路徑長徑必須小於下 一次陣列中第一感知器之總路徑長度。這將防止兩個感知 器有相同之總路徑長度及在時間上重疊在回返匯流排。 —旦在回返匯流排1 2 0上，干擾訊號經由增益，損 失循環前進，直到其抵達偵測器與一處理裝置（宋示出） 。本發明這方面有降低陣列中所需放大器數量之好處。額 外之好處含較低之泵功率要求及至某一點之較佳訊號雜訊 比（SNR)，以及支援陣列多達400個感知器之能力 圖5, 3 .說明圖5 a之替代實例，其中，纖 器1 50，1 52被一分佈匯流排1 10與一 1 7 2所取代，在各次陣列中，分佈匯流排1 匯流俳1 7 2是經由個別之分佈耦合器1 7 4 器1 7 6加以耦合至感知器1 10。我們應了 用星型耦合器與一回返匯流排之組合，或一分 星型耦合器加以耦合至與自次排列中之感知器 圖6a說明改變在放大器，耦合器架構中 之耦合率與感知器數量對於一具有總共1 0 0 請 η 閲 % 背 之 注 項 再 填 窝 本 頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 維星型耦合 回返匯流排 7 0與回返 與回返耦合 解到也可利 佈匯流排與 〇 ，各次陣列 個感知器之 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 -24- 經濟部中央榇準局貝工消費合作社印製 A7 ___B7____ 五、發明説明（22 ) 陣列在系統雜訊指數上之效應。就每一次陣列有1和2個 感知器而言，有一最佳耦合率使得雜訊指數達最小。就每 一次陣列有一個感知器而言，在耦合率爲0 . 2 8下，最 小雜訊指數爲3 9 d B。在每一次陣列有2或4個感知器 時，雜訊指數則更低。在具兩個感知器之架構中，當耦合 率爲0 . 55時，雜訊指數有一最小値38 dB。這結果 表示利用每一次陣列有^個感知器而非1個感知器之狀況 ，在相Ί感知器總數量下，需要一半數量放大器之系統甲 也能得到相同的雜訊指數位準。這降低雜訊指數之原因爲 ，由於降低對等數量感知器之放大器數量而降低了整體放 大之自然放射（ASE)雜訊。 當訊號一 AS E跳動雜訊取代短促雜訊限制了 SNR 時，降低所偵測之功率對於輸出S N R並無強烈之效應。 雖舞气一次陣列有2個感知器並不會造良較低之偵測功率 (低1 / 4 )，铲也隆低了訊號一A S E跳動雜訊量，稍 微產生較佳之效能。圖6 a表示每一次陣列具4個感知器 之情形下，當耦合率接近1時，雜訊指數則繼續改善。在 0 . 95之高耦合率，系統雜訊指數可降至36dB。於 是，加倍次陣列中之感知器數^ 半排放大器與_ 耦合器之數量，可降低零件總數與總泵功率需求而維蔚 S iN JK系統效能。 圖b表系對耦合器•放大器架構之相同分析。同上 ，最佳耦合率之値決定於次陣列中之感知器數量，但雜訊 指數則非如此.圖6 b表示當次陣列之感知器數量從1增 ----------„.1 装>_-I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25-

經濟部中央標準局we：工消費合作社印製 五、發明説明（23 ) 至2，增至4時，最佳耦合率値就〇 · 2變至0 . 35 ’ 變至〇.55而雜訊指數保持固定’恰在40dB下。 回返匯流排耦合器1 4 2沒有一最佳耦合率，但如圖 6 c所示，耦合愈高則結果愈佳。雜訊指數位準是針對放 大器一耦合器與耦合器-放大器之架構與次陣列之不同尺 寸來表示。.就所有架構而言’分佈匯流排之親合率最佳且 感知器總數量爲1 〇 〇。當回返匯流排耦合率由〇 . 2增 至〇 . 9 5時，就圖6 c所示之任一架構及每一次陣列有 1，2或4個感知器者而言，其雜訊指數位準退降小於 1 d B。因此可根據放大器泵之考量（較低之耦合率意爲 較低之泵功率要求）’可自由選取回返匯流排耦合。不同 陣列架構之雜訊指數位準分佈，如圖6 a所示，是由於選 取最佳分佈匯流排耦合率而成。 下列定義系統參數： n =次陣列數量 j =每一次陣列之感知器數量 n j =感知器總數量 C d =分佈匯流排（耦合器1 4 0 )之耦合率 Cr =回返匯流排（耦合器1 4 2 )之耦合率 L X =各耦合器區段內之接合與插入損失 L s =感知器損失 n s p =放大器倒轉參數 由於可將放大之自然放射（A S Ε )加進訊號之光放 大器1 3 0與1 3 2之存在，放大式陣列之輸出不再如同 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐）-26 - I--------^---- (請先閔讀背面之注意事項存填寫本頁) -'s Τ # Α7 Β7 五、發明説明（24) 衲動式陣列，只限於短促雜與訊^， A S Ε跳動雜訊則是最主要項目。欲得到最差感知器之雜 訊指數，雜訊指數之計算現在必須靠來自所有放大器之 A S E。 假設在分佈匯流排上之各放大器1 3 0相同且有相同 之增益。同樣的，假設在回返匯流排上之放大器1 3 2有 相同之增益，以及倒轉參數等於分佈匯流排上放大器之倒 轉參數。雖然自各匯流排端，放大器1 30，1 3 2之遠 地激勵允許系統接近此狀況，但是由於製造容許度與不均 —之泵與訊號功率，實際上放大器稍微不同。增益被設定 爲等於匯流排上之損失，造成增益爲： 對於分佈匯流排放大器1 3 0而言 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂

Lx(l-C^ ⑹ 對於回返匯流排上之放大器1 3 2而言，增益爲 (7) 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 假設輸入訊號爲脈衝，且連續打開泵，造成連續之 A S E。於是，雖然每一感知器1 1 0之i 同 行徑一感知器1 10之AS E能影響來苜不J5感知器 110之訊號的雜訊特性。 由於強烈之訊號功率，在系統設計時可忽略A S E： A S E跳動雜訊與a έ E短促雜訊。就圖3所示之架構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -27- A7 B7 五、發明説明（25 ) 將放大器130，132放在兩個匯流排100與120 上之第一耦合器前，雜訊指數位準爲：_ NF. j2L^l-Cr)a-Cd) ampler-cooler 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 留意到不像被動式陣列之架構 * 1 1 0這式子皆一樣。每感知器 A S E跳動雜訊之影響v '可有利地利用方程式8，對於 加以選！橫梯數量與每一撗梯之麋 特別是，將整數値η (次陣列或橫 或等於所需感知器數量之產品的j 數量）代入方程式8以及計算各種 。然後選取產生最低雜訊指數位準 數量之最佳組合。 利用如方程式8相同之方法， 系統之雜訊指數位準現在爲：

NF coupler -amplifier (8) ，對於每一感知器 之回麼均等地考訊號- 一所需之感知器數量， --—-------------- -- - _知器數量的最隹組合' 梯數量）及具備一接近 (每一次陣列之感知器 組合之雜訊指數位準値 之組合作爲所需感知器 可表示耦合器，放大器 w, α-% (9) 爲使放大式陣列效能達到最佳，必須如同對被動式陣 列之所爲，檢查分佈及回返匯流排親合率對於系統雜訊指 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -28- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 88. 2 . 2 3c y'Lj 五、發明説明（26) 數位準之效應。方程式8和9表示對於回返匯流排1 2 0 無最佳耦合率。系統對於CN之選擇非常不敏感。如圖4 a 所示，對於分佈匯流排上之耦合器1 4 0存在一最佳耦合 率。選取超出之損失爲0 . 2 dB，選取感知器損失爲 6dB，以及選取放大器倒轉參數nSP爲1 . 5。在各次 陣列具兩個放大器1 1 0之情況下，在回返匯流排1 2 0 上使用3 d B之耦合器。當陣列中感知器1 1 〇之數量加 時，兩種架構之最佳分佈匯流排耦合C d皆下降。在每一橫 梯一放大器之情形下（每一感知器，每一匯流排一個放大 ----------裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 器）可表示，對於大數量之感知器，最佳耦合率接近(10)

Cd(amplifier-coupler) 訂 以及，對於耦合器-放大器架構

Cd (coupler -amplifitr) 卿-(卜(:祕 (Π) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 兩種架構中Cd之最佳値不只決定於系統中感知器 1 1 0之數量，也決定於感知器損失，超出損失，次陣列 中感知器之數量，以及放大器之倒轉。與圖1中被動式陣 列之近似値1 / N比較，兩個最佳耦合率落在1 / η 1 / 2 。放大器，耦合器架構需要較高之最佳耦合率，對於低數 量之感知器則接近1。下列分析中，因Cd太接近1將需要 具不切實際高增益之分佈放大器1 3 0，就η之値，預測 Q之最佳値接近1，其實際上被限制爲〇 . 9 5。類似的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）_ 29 - A7 B7 修止.紙2, 23 e、本年另曰 --- 立、|明訊仴（27 ) ，匕Q太接近1將需要一具不切實際高增益之回返放大器 13 2。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 感知器損失數字也影響最佳耦合率。以上情況中，假 設感知器損失爲6 d B。這樣的選擇說明在非平衡Mach-Zehnder感知器中3 d B之損失及線圈式感知器中3 d B纖 維之彎曲損失。對於被動式與放大式陣列而言，圖7 a表 示不同之感知器損失對具備1 0 0個感知器之陣列中最差 感知器之雜訊指數的效應。當感知器損失增加時，被動式 與放大式陣列皆遭受訊號之雜訊指數退降。在感知器損失 爲0至15dB之範圍中，放大式陣列最多退降8dB， 而被動式陣列退降1 5 d B。如圖7 a所示，放大器，耦 合器陣列架構比耦合器-放大器架構多一個好處。當感知 器損失爲零時，兩架構開始只離開0 . 3 d B。然而，感 知器損失爲1 5 d B時一放大器-耦合器架構之雜訊指數 位準幾乎在耦合器，放大器架構下面2 d B。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖7 b表示在每一次陣列具一個感知器之1 〇 0個感 知器陣列中，超出損失對被動式與放大式陣列之效應。當 匯流排上之超出損失，在每一耦合器區段上由0增加至1 d B時，放大式陣列只受到2 d B雜訊指數位準之退降。 最好，在放大式陣列中，當遇到額外損失時即加入額外之 增益使得增益總是等於損失。在沒有超出損失下，被動式 陣列雜訊指數位準以1 .d B之接合與耦合器損失，從5 5 dB增加至2 5 5 dB之多。這表示被動式陣列對於零件 損失極度的敏感性，而當零件損失增加時，只要預先知道 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） 修王 補充 祖 本 A7 B7 經濟部中央操準局員工消費合作社印製 五、發明説明（28) 這些損失且包含足夠之增益用以補償較高之插入損失，放 大式陣列保持十分穩定。典型之接合與插入損失約爲 〇 . 2 d B，這給予被動式陣列增加4 0 d B之雜訊指數 卻使放大式陣列相當地不加變動。 放大式陣列淸楚地超越標準被動式陣列，當耦合率爲 最佳時，在偵測器造成一較低之系統雜訊指數及改善之 ' S NR。就實際之接合與插入損失位準，放大式陣列顯示 具許多感知器之陣列有對等之S N r待性，並比被動式陣 列之感知器數量大小大一階。最佳耦合率決定於陣列架構 及陣列之感知器數量，並提供優選設計參數使放大式感知 器陣列之S NR達最大。在所有狀況下，放大器—耦合器 架構已表示出超越耦合器-放大器架構，並在所有相關之 參數中表示稍低之雜訊指數位準。對於慮及纖維數與系統 複雜性之大型感知器之佈署而言，放大式T D Μ陣列比傳 統被動式T D Μ陣列表現出重大之希望。 雖然以上說明與感知器陣列有關，其中，各感知器有 一輸入及一輸出且其中，感知器陣列含一分佈匯流排與一 回返匯流排，我們應了解到感知器能以雙向感知器加以操 作並以作爲分佈匯流排與回返匯流排之雙向匯流排加以操 作。圖9中說明這種陣列2 0 0。陣列2 0 0含一單一光 匯流排2 0 4 (如，光纖），配合圖2之如上說明，單一 光匯流排2 0 4延伸在泵雷射來源1 0 2與泵雷射來源 1 0 4之間。上面亦說明訊號源1 0 6之輸出，且將泵雷 射來源1 0 4經由分波長多工器2 0 8耦合至光匯流排 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -装-

<tT 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）_ 31 · Α7 Β7 經濟部4-央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（29 ) 2 0 4，分波長多工器2 0 8類似於圖2之分波長多工器 1 0 8 ^也將以上說明之偵測器1 2 6經由耦合器2 1 4 及分波長多工器2 0 8加以耦合至光匯流排2 0 4 °替代 性地，耦合器214可以一傳統之光循環器（未示出）加 以取代，此光循環器是將來自訊號雷射106之光線經由 分波長多工器2 0 8耦合至光匯流排2 0 4 »光循環器也 可將接收自光匯流排2 0 4之光線經由分波長多工器 2 0 8加以耦合至偵測器1 2 6。 如圖9所說明，將光匯流排2 0 4經由相當多之耦合 器1 4 0耦合至許多的感知器2 1 0。配合圖2之姐上說 明，相鄰耦合器間之放大器1 3 0可操作加以放大分佈訊 號。不像圖2中陣列1 2之感知器1 1 0，感知器2 1 0 爲雙向的，因他們只有一單一之輸入/輸出淳。進入感知 器輸入/葬?出埠之光源爲一諸如，聲音訊號之争數所干擾 ’且光源由同一輸入/輸出埠，以相反方向傳播並出去。 耦合器14 0爲雙向的且將來自感知器2 1〇之光線耦合 回至光匯流排2 0 4，但朝向分波長多工器2 〇 8作反向 傳播。放大器1 3 0也是雙向的，如圖2之回返匯流排放 大器1 3 2般，依相同方式加以放大回返訊號。因此可看 到圖9中之陣列2 0 〇如圖2中之陣列1 2般依類似方式 加以操作’但只有一單一光匯流排2〇4。 依相同方式，利用具單—輸入/輸出追之感知器可將 圖3由之陣列1 4和亂^轉換成雙向陣 (未示出）^ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) 格（2ΐ〇χ297‘ϋ--------- ------------^--I (請先閱讀背面之注意事項#!填寫本頁) 訂· « 線 A7 B7 五、發明説明（30 ) 以下^討論指向大型纖維感知器陣列訊號雜訊比之最佳 化，其中，大型纖維感知器陣列針對每一橫梯之感知器數 量，每一陣列之放大器數量以及纖維匯流排與橫梯間之耦 合率使用摻餌纖維之放大器遙感勘測法。找到寬廣之最隹 區域，提供設計彈性使泵功率需求減至最小。模擬中預測 可在一纖維對上對3 0 0個感知器加以作多工處理，而對 具有適度輸入泵功率（<1W)之所有感知器維持一高度 之敏感性（l//rad/ Hz)。 干涉光纖音波感知器已達到大於1 # r e a d/ 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Hz之敏感度，它可轉成優於10dB，在海洋中低於 典型之聲音雜訊位準。（見例如，1 9 9 6年6月，第 143冊之IEE會刊，雷達，聲納及航海，第204— 2 0 9頁，由P.Nash所寫之"干涉光纖水診器技術"及 1 9 9 6年7月，第2冊之光纖技術：材料，_置及系統 ，第291-317頁，由A.D. Kersey所寫之*光纖感知 器技術最近發展之回顧"）。許多水診器之應用，特別是 海面下石油蕰藏量之探勘，需里將大量之這種感知 笔織維上作多工處理，並且將感J0器放在離接收電子設備 —层距雜處（1 一 5 0公里）。如上所述，含多重低增益 • · -------- · ··· 纖維放大器夕時域多T式（TDM)感知器可支援在一 |寸 纖維上之數百干涉感知器》本方法維持現存纖維干涉水診 器感知器固有之大動態範圍（>120dB/ Hz) ^ 如上所示，結合1 0個橫梯與2 0個摻餌纖維放大器（ EDFAS)之陣列原則上可支援多於100個感知器。 本紙張尺度適用中國國家標準.（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7五、發明説明（31 ) 實驗上已經驗明含6 4個感_知器與使用兩個EDF A之陣 列。（见’例如，1 9 9 6年0 S A技術文摘系列，第2 冊，〇FC'96 中，文件 Thp5 由 A.D.Kersey;A.Daudr idge，A.R.Dvis，C.K.Kirdendal.M.J.Marrone 及 D.G.Gross 所寫 之、具EDFA遙感勘測法之6 4 —元件分時多工式干渉 感知器陣列〃）。 如上所說明，一基声之陣列架構中，各橫梯支援一個 感知器。下列說明指向陣列架構，其中，在各橫梯上（利 用TDM)置放數個感知器。適當地選取陣列參數，這種 陣列架構即產生在每—橫梯一感知器架構之上的改售效能 ^特別是，改善所有感知器之訊號雜訊比（S N R·)，就 降低放大器之總數量（就一指定感知器總數量而言），且 降低放大器所需之總泵功率。以此拓樸，在一對纖維上笔. 一匯流排只有約2 5個纖維放大器可支彥3 0 0调感知I 。而所有的威知實質上展·現' B之對等> S N R。稍後討論此型陣列之泵功率需求，並顯示，適當 地選擇陣列參數，這種需求可減至最小而不會重大改變到 SNR。由於與首先將一訊號自—第一纖維分佈至許多感 知器，以及第二將所有訊號重新組合至—第二纖維上有關 聯之被動式分離損失’使用典型被動式多工方法之感知器 陣列被嚴重限制在可被加以多工處理至—纖維對上之感知 器數量。如上所討論’欲補償這些被動式分離損失並增加 每一纖維對之最大感知器數量之一個方法爲’如圖1 0所 示，在爾虱流之名稱合器前加土一光放大器。將一單 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐） .34 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - ΓΚ7 本年月 A7 B7 ϋ明説切(32) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 一訊號脈衝（即，一光輸入訊號）發放至分佈匯流排 3 0 0內。以增益爲G d之第一放大器3 0 2對脈衝加以放 大，第一耦合器3 0 4運送脈衝之一部分Dd至第一橫梯 3 0 6，且將剩下部分（1, 一 C d )傳送至後續放大器 3 0 2。將各放大器3 0 2之增益設定成在下一個放大器 之前可正確地補償所有的後續損失（多半爲耦合器之分離 損失及接合損失）。訊號脈衝依此方.式開始沿分佈匯流排 3 0 0進行且將一等量之訊號功率提供給所有的感知器 3 1 0。類似地，經由耦合率Cr之耦合器3 1 4將來自各 感知器3 1 0之訊號脈衝（即，一光回返訊號）耦合至一 回返匯流排3 1 2上。已在回返匯流排3 1 2上之訊號碰 上一耦合器並將其功率之分數（Ι-Cr)傳輸至增益爲Cr 之後續放大器。再來，各放大器正確地加以補償介於放大 器間之損失並提供沿回返匯流排3 12至一偵測器（未示出 )之訊號的整體傳輸。各感知器回返大且類似量之訊號至 偵測器作爲輸出訊號，使得所有感知器相同SNR及相同敏 感度。適當選取訊號脈衝寬度與耦合器間之距離，就不會 有兩回返訊號脈衝在回返匯流排300上重疊。（見，例如 ，1987年7月，第LT-5冊之光波技術報誌，第1 0 1 4 — 1 0 2 3 頁中’由 J.L_Brooks，B.Moslehi，B.Y..Kim，及 H.J.Sh aw所寫之 '' 遠地光纖干涉感知器陣列之時域定址〃）。回 返自第一感知器之訊號脈衝首先抵達，而回返自最後感知 器之訊號脈衝最後抵達。將後讀訊號脈衝發放至分佈匯流 排3 00內，使得由後讀訊號脈衝產生之輸出訊號不會與由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-35 - 修一 本 A7 B7 五、發明説明（33) 先前發放之訊號脈衝所產生之輸出訊號重疊，因此，允許 暫時解決個別之脈衝。訊號脈衝沿著匯流排3 0 0及 3 1 2兩者行進，在每一級均獲得及損失功率，但未遭到 整體之增益或損失。藉著週期性地將訊號加以再生，克服 了被動式陣列之基本限制。以來自一（或多）個泵雷射之 泵訊號（見圖1 0 )可從陣列3 2 0之前端在遠地即可激 勵所有放大器。耦合器在設計上爲分波長多工使得泵僅沿 匯流排3 0 0及3 1 2傳播而永遠不會被耦合至橫梯 3 1 0內。第一放大器3 0 2之泵功率甚大於放大器之泵 臨界値；因此，第一放大器處於高泵飽和狀態。它吸收小 分數之投射泵功率並將大量剩餘功率傳輸至亦在高泵飽和 狀態下運作之下游放大器。栗功率需求爲將足夠之功率發 放至各匯流排使得最後一個放大器仍有夠高之栗功率作適 當運作。最後結果爲可從一遠地位置對數十個低增益之放 大器激勵適量之泵功率（在14 8 Omm處爲1W)。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 欲維護陣列3 2 0之模組設計，在分佈匯流排3 0 0 上之所有耦合器3 0 4最好一樣（相同之耦合率C d )且所 有放大器最好有相同長度（相同增益Gd)。類似地，在回 返匯流排3 1 2上之耦合器3 1 4 (耦合率Cr)與放大器 3 1 6 (增益Gr)最好一樣，雖然<3<1與（：『可能不同， 且Gd與Cr可能相異。在各匯流排上之第一放大器（亦即 最接近個別泵源之放大器）比最後的放大器接收及吸收更 多之泵功率，所以第一放大器之增益大於最後的放大器之 增益。然而，這些增益差對高泵功率而言爲小且可被忽略。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）-36 - A7 B7 五、發明説明（34 ) 於是所有感知器回返幾乎相同量之訊號功率°要比較各種 架構，利用先前定義之系統雜訊指數（NF)： NF. systrn

SNR (12) cut \ 因各放大器提供低增益，故其以放大器式自然放射（ A S E )之形式只連續$卩入一小量雜訊。而且，如上所述 ，因各感知器最好回返相同之訊號功率且受CW A S E 之相同影響，所有感知器之S N R相同。 圖10之架構中每一橫梯有一感知器且總共有N個感 知器，且因此每一感知器有一對放大器》即陣列總共有 2 N個放大器。圖1 0之架構產生適當之雜訊指數，但它 需要大量之放大器（每一感知器二個）且因此需要一大浆 功率預算。爲降低放大器數量，如具有一分佈匯流排 3 4 4之圖_1 1之陣列3 3 1电齡示，利用星型耦合器 3 3 0，回返匯流排3 4 6以及多數橫梯3 3 4可將多重 感知器置放在各橫梯上。在各橫梯3 3 4中利用一對1 X j星型耦合器3 3 0加以取代j感知器332，降低一個 因子j之分佈匯流排感知器3 3 6數量及回返匯流排放大 器3 3 7之數量。這造成較低泵功率之需求及回返訊號之 不同雜訊指數。兩對立效應影響此雜訊指數。第一效應爲 當降低放大器3 3 6，3 3 7放大器之數量時，回返至偵 測器（未示出）之ASE即掉落，而改善雜訊指數。第二 效應爲，當j增加時’星型親合器3 3 0之分離損失增加 -----〕---------装-7 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

•1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -37- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7___ 五、發明説明（35) ，使得自洛感知器回返之訊號功率降低一個j 2之因子（ 每一橫梯有兩耦合器），且雜訊指數更糟。 對雜訊指數之進一步影響爲分別位於分佈匯流排 3 44與回返匯流排3 4 6上之耦合器3 4 0與3 4 2之 耦合率。各分佈與回返匯流排放大器3 3 6及3 3 7之增 益依需求直接與這些耦合率有關，此需求爲，從一放大器 至下一放大器之分佈匯流排傳輸Td與回返匯流排傳輸Tr 一 爲1 ， Td = GJLxa-Cd) = 1 (12a) ΓΓ = (?人(卜 ς) » 1 ⑽） 其中，Lx爲由於接合與耦合器之關係而在放大器哑_造成 - ' - r—. · * -- 之超出損失。此單一傳輸之需求是必要的使各感知器回返 —等量之訊號功率。當耦合率增加時，有更多之訊號功率 被輸送至各橫梯並回返至偵測器，而改善s N R。增加耦 合率部分補償在各橫梯L = LS . L j 2上之訊號損失 ，其中Ls爲一單一感知器之傳輸損失？而Lj爲一1 X j 星型耦合器之分離損失。從分佈匯流排3 4 4至一橫梯3 3 4上，經由一感知器3 3 2，且至回返匯流排3 4 6上 之傳輸爲： L_r = 九叫G人Cr = K (13) 其中之用法由方程式1 2構成。當cd> ( l_cd)且 C r > ( 1 — c r )時，’例如，當 c d > 5 0 % 且 c r > 5 0 %時滿足此條件，則傳輸大於L r u n s。以耦合率之這 (諳先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -38- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（36 ) 個選擇，一進入及離開有補償L r u n s趨勢之一橫梯時， 訊號即遭受整體之增益。而且，這選擇增加回返至偵測器 之訊號功率並改善雜訊指數。但增加耦合率及放大器增益 也增加泵功率預算。於是，雜訊指數與泵功率需求間必須 有某些妥協。 欲分析圖1 1中所說明之新技術之雜訊效能，當利用 合理訊號與泵功率時，#須決定產生總數爲N之感知器的 最低雜訊指數之架構（j與η値，及耦合率C d與C r )。 對圖1 1中陣列3 3 1雜訊指數之兰個主要貢獻_爲（ 1 )訊號衰減，（2 )由分佈匯流排放大器所產生之累穑 A S E，其中，分佈匯流排放大器經由感知器達及'偵測器 並造成訊號一 ASE跳動雜訊，以及（3)由回返匯流棑 放大器所產主之累積A S E，其中，回返匯流排放大器達 及偵測器且亦造成訊號一 A S E跳動雜訊。累槙A S E也 產生ASE.ASE農動雜g及A S E短J足雜訊，但因訊 號功率遠大於A S E功率，這些雜訊數項_目簋小旦甩被签 _略。比起在典型點對點具單一路徑之通信系統中，A S E 在本發明中有不同之累積，因有一分開路徑經過每一感知 器且許多A S E之貢獻皆合計在回返匯流上。例如，只考 慮由圖11中分佈匯流排344上第一放大器306所產 生之ASE，ASE之一部分被耦合至第一感知器，且剩 餘者行走下至分佈匯流排3 4 4。由於沿分佈匯流排 3 4 4之單一傳輸，A S E之相等部分即被耦合至所有其 它感知器。在偵測器收集到之ASE隨著陣列3 3 1中之 ------------裝，-Γ — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -、ΤΓ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -39- A7 B7 五、發明説明（37) 橫梯η之數量而增加’其中，偵測器只啓始自 流排放大器3 3 6。回返匯流排放大器3 3 7 貫（無干涉效應）加入在回返匯流排3 4 6上 號。如上所述，可加入這些不同貢獻加以在偵 A S Ε功率，而從偵測器可加以計算雜訊指數 分佈匯流排耦合器之係數Cd皆相同，且同樣 返匯流排耦合器之係數/ r也相同，所有分佈 放大器之增益Gd相同，且所有回返匯流排放 Gr相同，且假設完全滿足方程式1 2，前所 方程式8中對所有感知器皆同並等於： 第一分怖匯 也產生不連 之A S E訊 測器得到總 。假設所有 的，所有回 回返匯流排 大器之增益 示之N F在 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

NF ⑻ 經濟部中央操準局員工消費合作社印製 其中，N=j ，η爲每一陣列感知器之總數量，j爲每一 橫梯之感知器數量，η爲每一陣列之橫梯數，且n 3P爲放 大器倒轉參數，從以上泵功銮增加時n s p會接沂1。三個 __ ____^ _一-.. 一. 一. N F條件分別*於訊號短促-訊，對分佈p流排放大華 中産先^ AS E的訊號一AS E跳動雜奶，以及對在回返 匯流排放大器中產生之A S E的訊號一 A S E跳動雜訊。 — ------------ 其它雜訊項目’如ASE — ASE跳動雜訊，ASE短促 雜訊，偵測器電子雜訊，訊號雷射相對強度雜訊，經感知 器之不平衡，轉換成振幅雜訊之相位雜訊等，典型上非非 小而未加以涵蓋。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 40- A7 B7 五、發明説明（38 ) 就感知器所需之總數而言，可利用方程式8加以選擇 每一橫梯感知器之數量與每一橫梯數量义昜佳組合使雜訊 指數降至最/丨、。如此做，具備接近或等於所需N之乘積之 > * ' 整數値j和η被帶入方程式8加以計算各種組合之雜訊指 數》然後選擇產生最低雜訊指數之組合丨j ，η_丨丄乍爲最 "~ ~ .，一 » - I · * "

佳架構。圖12表示NF對具備不同感知器N總數之陣列 ，其每一橫梯之感知器數量之四條曲線，假設Cd=80 %，Cr=50%，Ls=5〇dB 1Lx=〇 . 4dB 。稍後表示耦合率之這些値使雜訊指數達最佳化卻維持一 ' .....'............................ 合理之泵功率預算。値L s = 5 d B產生目由干涉感知器 造成之3 d B損失，器在求積時被加以偏倚以求得·最大敏 感度，以及纖維彎曲損失’對於包在直徑3 c m或短些之 心軸上之數百米纖維，此彎曲損失典型上爲2 d B。Lx 含一匯流排耦合器（典型上爲〇 . 3 dB)之超出損失以 及一摻餌纖維與一標準單一模式纖維接合之插入損失（典 型上爲0.05dB)。圖12表示對於曼二f f感知雙」 之固定數量，當每一陣列感知器總數量增加時，雜訊指It 、·.·... —"·-— -- ------------ - - .. — - 1 經濟部中央樣準局員工消費合作社印裝 j (請先閲讀背面|之注意事項再填寫本頁)

Bp增加。各曲線在每一橫梯感知器之某些最佳數寰下展繞 出一最小値。當方程式8之兩訊號一 A S E跳動雜訊項目 (第二與第三項目）相等時，各曲線總發生最小値。在最 小値左邊，啓始在分佈匯流排（第二項目）之A s E在接 收器產生主要一雜訊項目。在最小値右邊，由在回返匯流 排上啓始之A S E (第三項目）產生主要的雜訊項目。考 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） -41 _ T— 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（39 ) 量方程式_8，第二項目與降爲N. (n + 1)之j ·η. (η+1)成比例，而第三項目與降爲N. j之j2.η 成比例。在最小値左邊，有回返至偵測器之足夠訊號，但 卻有太多放大器。在偵測器處，自分佈匯流排放大器之 A SE累積與η. (η + 1)成比例。降低放大器η之數 量重大地降低回返之A S Ε。在最小値之右邊，當j增加 時，橫梯L rung之衰減增加，其逐漸衰減來自分佈匯流 排之訊號與A S E。在此種情況下，回返訊號不足夠且由 回返匯流排放大器產生之A S E產生雜訊指數最主要部分 之訊號- A S E跳動雜訊。最小値之位置可對方程式8之 j取導函數（忽略微小之第一項目）加以求値，其產生：卜pw卜(卜cjZJ 對於有6 0個感知器之陣列（圖12之底部曲線）’ 可預測得到含每一橫梯一感知器以及因此每一匯流排6 0 個放大器，一相當高N F ( 3 5 . 7 d Β )之架構。如以 每一橫梯之感知器數量增爲2代之（即每一匯流排3 0個 放大器），NF即改善至33 . ldB。對於N=60 ’ 當每一橫梯具j = 5時，NF達到最小値3 1 . 3 dB。 如j再加倍至1 0且放大器數量減半至6 (使N仍等於 60)時，NF則更槽（至32.1dB)。圖12中各 曲線之最小，値甚寬，其實際上允許很大之設計彈性使其它 如下所述，諸如泵功率預算之其它參數達最隹化。對於具 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本莧)

本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（210 X 297公釐） -42 · A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（4〇) 3 2 0個感知器之陣列（圖1 2之上部曲線），每一匯流 排約爲2 7個放大器。如代之，陣列含每一橫梯1 8個感 知器且每一匯流排3 2 0/1 8〜1 8個放大器，則雜訊 指數將無重大意義地更美0 . 25dB。另一方面，因放 大器數量從2 7降至1 8，故泵功率需求將有重大降低。 因此，可重大降低泵功率需求並藉著降低橫梯數量及增加 每一橫梯之感知器數量，，由此可得到最佳之架構而只帶來 在雜訊指數上小小的懲處。 圖1 3中表示每一橫梯之最佳感知器數量（j )與i “匯流排最佳放大器數量（η)對每一陣列感知雜縷觳氣^ (Ν )。圖1 3中之兩曲線得自圖1 2中最小値之·軌跡。 較低曲線爲較高曲線之補餘。那就是，對於圖1 3中座標 Ν之任何値，兩曲線縱座標之乘積等於Ν »這些曲線指定 j與η之最佳値建構具有最小雜訊指數之陣列。例如，如 需要一 2 0 0個感知器之陣列，最佳架構將含每一橫梯 10個感知器（較低曲線）與2 0個橫梯（較高曲線）。 這些曲線依選取特定之C〇，Cr，1^8與1^3[有其功能》 我們應了解到在圖1 3中，就其大部分情況’最佳値非爲 整數値。於是，選取每一橫梯之感知器數爲接近最佳値之 整數値，並選取放大器數量（即橫梯數）加以.大槪設置感 知器之預期數量。 考慮將雜訊指數加以最佳化之之第二組參數爲匯流排 耦合器（Cd與Cr)之耦合率以及放大器（0<!與0【） 之對應增益。爲最小雜訊指數與泵需求加以決定最佳耦合 (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 〇 X 297公釐） _ 43 _ A7 ____B7 ___— 五、發明説明（41 ) 率，針對―一 2 0 0個感知器之陣列’考慮到圖1 4所示’ 在分佈匯流排耦合率（Cd)與回返匯流排耦合率（Cr) 上系統雜訊指數之相依性》爲計算N F對C d之相依性（ 實曲線），設定爲5 0%而針對各選取每一橫梯之 感知器數量j使能將雜訊指數減至最小。此每一橫梯感知1 器之最佳數量表示在圖1 4之較低部分（實線經過整數縱 座標時爲一平順接合線）。爲計算NF對Cr之相依性（ t 虛曲線），設定Cd爲80%及j爲1〇，由圖14之較 低部分看來，此C〇値爲每一橫梯感知器之最佳數量。 C、增加時，雜訊指數有重大改善，於是預期分佈匯流排 放大器之G、愈大愈好。對於Cd小於大槪3 0%時，不足 夠之訊號功率即被耦合在一橫梯內加以支援每一橫梯大於 一或兩個感知器（依部實曲線）。每一橫梯只具一些感知 器時，在陣列中有大量之放大器且N F爲高。藉著增加/ Cd，將更多訊號功率加以耦合入各橫梯內且因此在各橫 梯上能支援更多之感知器（底部曲線增加）並改善NF ( 上部曲線下降）。選取Cd〜80%與放大器增益Gd〜 7 . 4 d B可降低總泵功率需求。具重大意義較大增益之 放大器將不與此處所討論之遠地激勵設計相容，因單一遠 地泵來源無法提供足夠功率給數十較大增益之放大器。另 一方面，當Cr> 4 0%時（虛曲線）雜訊指數對於Cr就 十分固定。此寬廣固定範圍允許在選取最佳c r値時包含 泵功率預算之考量。當增加時，Gr相對應增加，因此 增加泵功率需求。因此C r愈小愈好，不要太強烈影響 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝-

經濟部中央標準局負工消費合作社印製 訂 -44 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _B7___ 五、發明説明（42) N F，這—就是選取C r = 5 0%上達至此點之理由。如代 之，取Cr爲2 5%，進一步降低泵功率需求’ NF更差 利只有〇 . 4dB。當選取Cd=8 0%.與Cr=5 0%時 ，爲將NF減至最小的N = 2 0 〇個感知器之最佳架構爲 各J = 1 0之各感知器有n = 2〇之橫梯。 圖1 5中皆考慮所有這些效應’並對放大式陣列（實 曲線）表示雜訊指數對#知器之總數字。如圖1 3中’就 一指定之感知器N之總數量，選取每一橫梯感知器之最佳 數量與每一陣列（j ’ n )之橫梯加以產生最小値N F ’ 並利用C d = 8 0 %及G r = 5 〇 %之固定耦合率。表示一 典型被動式梯型陣列之雜訊指數（虛曲線）加以比較。爲 在具一適當輸入訊號功率（5mW)之1 H z頻寬中維持 1 2 0 dB之SNR ’系統雜訊指數必須低於圖1 5中之 虛水平線（NF<4 5 dB )。具此最佳架構’可在一單 —對纖維上支援多於3 0 0個感知器，而—被動被陣列只 能支援約20個感知器。 當圖1 5中之曲線沒有交叉1 2 0 dB之SNR線時 ，有兩個理由使.得要在總共要寞_援約3 0 0 .個以.上之感知_ 器變得逐漸困難。第一理由爲對感知器加以取樣之.負赘-惺二 '—. ------- ~ 環變得太小，就复共1 知器而^’負載循環約爲 1/300且這影響輸入訊號。具此負載循環之5mW平 均輸入訊號功率需要1.5W之尖峰訊號輸入功率。訊號 功率受諸如自然RAMAN離散與自然 BR I L L OU I N離散之纖維非源性效應而大槪被侷限 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X2.97公釐） -45- A7 B7 五、發明説明（43 ) 於此位準_。第二理由爲對於沿著陣列之小S N R差異應有 - · · --------- — .......- ............ 允許之界限。由於所做之槪算，特別是假設所有放大器具 相等之增益，即使沿著陣列消耗泵功率，預期在感知器之 岑NR中會有一些dB之差異。圖15中表示所有感知器 之平均SNR。平均SNR最好稍微高於12 0 dB使得 >最差"之感知器仍優美1 2 0 dB。 當建構一實際陣列時，耦合器會有一耦合率之固有分 * 佈圍繞其理論値。在一特殊之橫梯上，預期耦合率0<!與 C r與其個別理論値C d °與C r °有一小量之不同。這種 不符合有兩個效應，第一個在各匯流排上之訊號傳輸，而 第二個在自分佈匯流排經由一橫梯至回返匯流排之、訊號傳 輸出- 第一個效應可藉調整對應放大器之增益簡單地ί卩以避 —..... ... . "" 免，使得仍然滿足單一增益之條件（方程式1 2 a與 12b)。在分佈匯流排上，如個別之耦合器與其理論耦 合率，即C d ° ( 1 — 5 d )差一（1 + 5 ι )之因子則相 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 鄰放大器之增益必須自其理論增益Gd°調整一因子（1 + ε d )加以維持沿著匯流排之單一傳輸。同樣地，在囪 返匯流排上，如耦合器與其理論値，即C， ( 1 + 5 r ) 差一因子（1 + 5 r )則相鄰放大器之增益必須自其理論 增益G r °調整一因子（l + <5r)。於是分佈與回返匯流 排傳輸（方程式12 a與12b)變成： C 喝1 (15a) 7/ ^ = 1 (15b) -46 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（44 ) 以5解出方程式 A7 B7 與1 5b之ε產生： (16) 以及ε r之一類似公式。留意到5與e有相同之符號。如 耦合器將一小額外訊號如以耦合加入一橫梯，對應之放大 器需有一稍高之增益加以補償。 第二效應爲，經由一橫梯自分佈匯流排至回返匯流排 之傳輸（方程式13)變成 (17) (請先聞讀背面之注意事項·再填寫本頁) 裝· 訂- 經濟部中央橾準局員工消費合作社印裝 留意利用因5與ε有相同符號，故Td-r <莩兩次之多 之影響。這是由於如一耦合器之耦合率稍高則其對應放大 器將具稍高之增益且可將此兩效應加起來。然而，藉著選 取與其具負號之理論値不同之耦合器對Cd與Cr，則實際 之傳輸（方程式1 7 )可等於理論上之傳輸（方程式1 3 )»欲符合需求滿足此相等性之條件爲 (18) 以（5得到<5 r之槪略解答爲： b. ~δΐΙ (19) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2VOX297公釐） _ 47 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __________ B7 _五、發明説明（45 ) 留意到6 與5r符號相反。當滿足方程式1 9時，從分佈 匯流排至橫梯之傳輸差異抵銷了從橫梯至回返匯流排之傳 輸差異。當每對耦合器滿足方程式1 9時，所有感知器回 返同量之訊號功率並具相同之SNR。 然而，如放大恶都硕得t長，則沿各匯流排設置一小 淨增益，訊號功率將稍微成長且於是稍微壓縮放大器之增 益。另一方面，如放大器做得太短，則沿各匯谛排產宅一 小淨損失，訊號位準將沿匯流排田應地加以下降。具較低 之訊號位準，放大器有提供稍多增益之趨勢且訊號位準將 不會快速下降。於是系統本身會自我調整，且訊號功率將 不會無限制成長。 下列說明如何將大型纖維感知器陣列所需之泵功率減 至最小，這些纖維感知器陣列針對每一匯流排之放大器數 量，每一橫梯之感知器數量，以及每一放大器之增益，使 用摻餌纖維放大器之遙感勘測法。就一大棚陣列而言Λ..Μ. 功率之需嗜9要#沿著，孙之被動式零件之損失。此處說 - . —. - 、 明降低功率需求之一些方法（含選擇性陣列拓樸）而將此 降低對於訊號雜訊比之影響減至最小。一/舆殲Μ匯流排藤― 支援300個高敏感度ClArad/ HZ)之導知屋、 ，並具每一匯流排低於1 4 8 0 #m 1W之泵功率及合理 並可以雷射二極體達成之要求。 纖維水診器之普及應用對有效之多工設計產生一項需 求。爲能作大型之多工處理，上面已表示加入光放大器至 纖維感知器之梯型結構可急劇改善感知器陣列之效能並增 本紙張尺度適用.中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _B7__五、發明説明（46 ) 加陣列大> 至每一纖維對達藪百個毎感知器。也已經表示 這種方法爲對大量感知器作多工處理之實際解決方法。如 上所述，可將一陣列加以最佳化，提供卓越之訊號雜訊比 (S N R )，卻增加每一纖維對之感知器數量。剩下之討 論與一放大式陣列之泵功率需求有關。第一目的在理上評 估含數百個感知器之實際陣列之功_氮，並表示陣列之 --------------~~-—·.—________________----------- 泵功率消耗主要爲耦合P與纖維之被動式損失，且對大型 陣列而言，此要求是合理的且可以雷射二極體加以達成a 第二目的在降低功率篆漆，此需求要求在泵功率與回返自 —·***· 感知器訊號之訊號雜訊比間尋求一妥協。討論包含選擇性 陣列拓樸之一些方法加以降低功率需求而使這種降低對 S N R之影響減至最小。以這種方法及目前纖維零件技術 .，一對纖維匯流排可支援3 0 0個高敏感度（1 β r a d / Η z )之感知器並具每一匯流排低於1 4 8 Ο nm 1W之泵功率。 如圖1 6中所示，上面表示這種分時多工（TDM) 陣列運作之完整說明。而且，例如，見J.L.Brooks，B.Mosle hi，B.Y.Kim，及HJ.Sham在1 9 8 7年光波技術報誌第L T 一 5冊，第1 Ο 1 4 — ΓΟ 2 3頁中所寫之 >遠地光纖干 涉感知器陣列之時域定址'。對所有感知器加以取樣，發 放大一訊號脈衝（即，一光輸入訊號）進入陣列4 〇 2之 分佈匯流排4 0 0，並且利用一纖維耦合器4 0 6週期性 地將訊號脈衝之一大分數（典型上> 50%)加以耦合入 梯子之各橫梯4 0 4。各橫梯4 0 4支援一或數個感知器 本^張尺度適用中國國家標準（〇阳）人4規格（210父297公釐了 -49- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 五、發明説明（47 ) 4 0 8。>各感知器4 0 8以萁本身之時間窗回返一訊號（ 即，一光回返訊號）脈衝，且將所有脈衝收集在一回返匯 流排4 2 0上並加以傳輸至一接收器（未示出）作爲輸出 訊號。沿著分佈與回返匯流排4 0 0與4 2 0加以分佈之 光放大器4 2 2與4 2 4，補償耦合器406之分離損‘失 並補償任何額外之散發漏失。於是，放大器4 2 2與 4 2 4沿著各匯流排提併單一之傳輸，運送等量之訊號功 率給所有感知器4 0 8，且陣列4 0 2從所有感知器回返 等量之訊號功率至接收器。陣列4 0 2最好以1 5 5 0 n m範圍內之訊號波長來運作並使用摻餌纖維之放大器（ EDFAS) »因每一放大器之損失小（3 — 8cTB)， 低增益之放大即足夠，且放大器4 2 2與4 2 4只是接合 入匯流排4 0 0與4 2 0內之摻餌纖維（EDF)之短區 段。以EDF之長度設定各放大器422，424之增益 。各匯流排上之所有放大器以來自諸如雷射之單一遠地來 源之泵訊號加以激勵。耦合器4 0 6與4 2 6最好是分波 長多工之熔合纖維耦合器，將其設計成泵沒有被耦合器並 單獨保持在匯流排4 0 0與4 2 0上，但是沿分佈匯流排 4 0 0之訊號部分地被耦合器在橫梯4 0 4內並將剩餘部 分加以傳輸至後續之橫梯。所有放大器4 2 2與4 2 4皆 .處於泵飽和之高狀態，使得（1 )其雜訊指數爲低，以及 (2)不是爲一放大器所消耗之泵功率被傳輸至後續之放 大器。以需求來設定泵功率預算，此需求爲鏈中之最後放 大器必須接收足夠之泵功率。在一佈署好之通信系統中已 (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 、一-·*

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -50- A7 B7

I30HS 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五 '發明説明（48) 經展示及1行單一，大增益，E D F A之遠地激勵（見’ 例如，1997年OSA技術文摘系列，文件TuLl ’ ◦ FC一9 7，第六冊中，由E.Brandon,A.Gladston，A.，及J .P.Blondel所寫之’ Cayman-Jamaica纖維系統：安裝最長 2 . 5 G b i t / s無訊號加強器之海中鏈結"。如下討 論，同樣實際地以一適當之泵功率在遠地對一由數十低增 益放大器組成之陣列加私激勵。 陣列之一重要運作需求爲模組化，其影響設計與泵功 率之需求。就實際理由而言，在船上如此處理及維護—陣 列，陣列最好是被切成輕量之區段並加以連接，使其在區 ---------——-^-一 段失去功能時可加以取代一瑕。於 ___--^ -----〜 ^~ : 是，含他們所包含放大器之所有區段最好相同，使得標準 區段在沿著陣列之任何地方皆可被加以替代。然而’具相 同長度之放大器不正確提供相同之增益，因下游放大器接 收較少之泵功率。因此，訊號功率之不同量有自不同感知 器被加以回返之趨勢，且感知器有稍微不均勻之敏感度。 以下說明將所有感知器之敏感度加以等化之幾個方法。 計算整個放大式陣列之泵功率預算’此陣列如圖1 6 中所示，首先必須考慮單一放大器汲之功率消耗。圖1 7 表示一典型放大器式陣列之一汲，其含一橫梯4 4 0 ’ 一 分佈放大器4 4 2及一分佈匯流排4 5 0上之纖維賴合器 4 4 6，及一回返放大器4 4 4以及一在回返匯流排 4 5 2上之纖維耦合器4 4 8。L *表示一摻餌纖維（ EDF)與單一模式纖維（SMF)間接合之插入損失。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 •裝. ,ιτ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 -51 Α7 Β7 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（49) 1^表示耦合器4 4 6之背景。1^丨表示8皿？之傳輸損 失。L c表示耦合器4 4 6之插入損失。以泵波長對所有 參數加以評估。設定在分佈匯流排4 5 0上之E D F長度 用以提供一增益G d，在下一放大器前，即G d = 1 /〔 L X κ 2 L 〇 ^ ( 1 - C d ) L f ^ ) ，Gd可正確補.償後續 訊號之損失，其中，C d爲分佈匯流排耦合率且主要之參 數皆以訊號波長加以評，估。爲增益Gr之回返匯流排放大 器4 4 4而保持一類似之關係，除外的是，耦合器4 4 8 具一不同之耦合率C r。 圖18中就各種輸入訊號功率表示放大器增益對泵功率 之相依性。這些曲_線得自一單一放大器之電Jp模擬i並以 典型上爲通信EDTA之EDF製成。所模擬之纖維有 1 . 4 # m 之核心半^. dL· 濃度 5 0摩爾p p m之氧化餌，以及 3 · 5米，之長度。利 用1 5 36nm之訊號波長及1480c/zm之泵波長。 圖18所示之輸入訊號功率將這些系統有興趣之範圍括弧 起來。放大器具PPth=l . 5mW(G = 0dB)之臨 界輸入栗功率，且它對大輸入泵功率提供6 · 1 dB之小 訊號增益。泵功率（1W)之上限爲實際之考量加以設定 ，此考量含泵雷射成本與當在數公里纖維引線與匯流排傳 輸較大功率時所碰到之非線性效應。引線纖維典型上爲1 至10公里長，且典型上以14 8 0nm有0 . 3dB/ 尺111以及以9 8〇111111有1.5(18//1$_111之傳輸損失。 因此，遠地激勵使用1 4 8 0 之泵來源具有關鍵性， (請先聞讀背面之注意事項#填寫本頁) -9 爾 r 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 A7 _____ B7_五、發明説明（5〇 ) 使得一重沃量之泵功率實際挺達放大器。以1 4 8 0 nm 具一高功率泵以及一接近1 5 5 0 nm之訊號在相同引線 纖維中加以傳播，此訊號將遭遇Roma η放大。在至分 佈匯流排之引線中，泵及訊號共同傳播且這種放大將會非 常吵雜。於是，最好使用分開之引線纖維。另一方面，在 至回返匯流排之引線纖維中，泵與訊號反傳播而 R 〇 m a η放大即低雜p。於是，在回返匯流排之引線中 可使用一種纖維。 當設計一陣列時必須決定在各匯流排上之平均訊號功 率以及各匯流排之泵功率預算，以及所有放大器之可接受 之增益變化，因泵功率沿著陣列加以消耗》如下說明，每 —橫梯大槪爲0.5dB之泵損失爲一合理之估算。如上 說明，大槪2 0個橫梯之陣列最佳。於是，作爲第一估算 ，：L 0 d B之總泵損失預算是合理的，即，泵功率沿陣列 從1W至1 〇 0 nW減低。對於低訊號功率（< lmW) ，放大器增益在此泵功率範圍內（見圖1 8 )減低少於 0 . 5 d B »當平均訊號功率增加時，此增益差增加， 一 10mW之訊號即達2dB。當輸入泵功率隨一固定泵 功率預算而增加畤，增益差即降低。以如圖1 8中所給予 之圖，可能決定所需最小輸入泵功率用以保持所有放大器 之增益變化在預期限制之下。 現說明單一放大器汲泵功率預算之更準確定義。以泵 波長加以作用並關於圖17來討論之損失裝置含以放大器 之餌離子來吸收泵功率（pabs)，耦合器之插入損失， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -53- A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（51 ) 兩接合點乏插入損失，以及E b F之傳輸損失及匯流排纖 維。在強烈飽和狀態下，離開一指定放大器汲之泵功率量 PQUt與發放至此汲內之泵功率Pin有關：ρ〇. (20) 使用此輸出泵功率作爲後續放大器之輸入泵功率。 圖1 9中表示一單汲所發散之泵功率（Pin — P〇ut )。這些曲線得自如上所討論之相同放大器的電腦模擬》 以放大器所吸收之功率開始，可個別考慮各泵功率損失裝 置用以轉換爲訊號功率。對於具平均功率爲P 8之輸入訊 號而言，E b F A加入一平均功率至訊號（G — 1 ) · Ps ’ 並消耗一等於（λ8/λΡ) . (G-1)-Ps 之 泵功率量，其中，爲訊號波長而λΡ爲泵波長。假如輸 入泵功率Ρ ρ甚大於Ρ Ρ 1 h與P s則此轉換與輸入泵功率無· 關，使得當P P大於大槪1 Ο 0 m W (見啤/i 8 7時所吸 收之泵功率爲固定。各放大器也產生放大式自放射（ A S E )並將啓始於其它放大器之A S E加以放大。因爲 所產生之A S E功率位準可容許甚至數打放大器以及亦由 於額外之成本，最好不要使用消除在訊號相反方向傳播之 A S E的隔離器。因此，A S E在整個陣列內作雙向傳播 。一個別放大器將2 — 3 之新A S E功率加入雙向之 投射ASE，並將總ASE加以放大。沿著各匯流排， A S E功率以線性累積放大器之數量，而轉換成a S E功 率之泵劝率則增加爲放大器數量之平方。泵功率預算中， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >八4規格（210X297公釐） 口.：： m···—· HL·— nn —1 In n«· n^i I , -- I ΙΊΙ ·1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 一線 娌濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 - ___B7_五、發明説明（52 ) 在整個陣刿中，典型上小於藪mW之泵功率被轉換成 A S E功率且因此可加以忽略。 以現行科技而言（對於1 4 8 0/1 5 5 0 n m W D Μ之熔合纖維耦合器，L c = 0 . 3 d B )，如 圖1 9所示，泵功率之最大發散損失爲Wb Μ耦合器插入 損失。因爲當Ρ Ρ非常大時，P a b s與Ρ ρ無關，小耦合器 損失就支配著大E D F之吸收，而由於L。發散之功率則 與P P成比例。耦合器損失傾向於與兩多工處理之波長分 離有相反關係，故帶有泵與訊號波長間之相當小的差異， 欲重大降低L c將具挑戰性。這是要縮減之最關鍵性項目 β要如此做之一個方法爲降低各匯流排上之耦合器’數量， 即，使每一橫梯之感知器數量（j )達最大。但當j增加 時，在各橫梯上之訊號所遭受之分離損失增加一 J 2之因 子（見圖16，每一橫梯兩個星型耦合器）。妗是在匯流 排上泵上耦合器插入損失與橫梯上訊號之分離損失之間必 須找到妥協之處。 第二大之發散泵損失產生自E D F與匯流排纖維間之 兩接合處。由於E D F與SMF間模式範圍直徑之不脗合 ，這種接合比SMF之接合有較大插入損失之傾向。匯流 排纖維爲一低NAL典型上爲0.12)之標準SMF下 以及一大模式區域。對於低傳輸損失（良好之SM?達成 在1550nm下小於0.2dB/km之傳輸損失）以 及要使非線性效應減至最小，這是具關鍵性的。另一方面 ，對於EDF，最好有較高之NA (典型上大於〇 . 20 -----,-------裝-.1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) € 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -55- A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ..rialltul·: -'-:ΒΜ5·Ι ... 五、發明説明（53 ) )加以降低放大器栗功率之需求。比較於SMF對SMF 接合之0 . 02dB (見，例如，1 994年三月，第 1 2冊之光波技術報誌4 3 0 — 4 3 5頁中由W.Zheng，0, Hultem，R.與Rylander所寫之、摻餌纖維接合與接合損失估 算〃），目前，良好之商業熔合接合物可產生在1 5 5 0 mm下，每一接合具一典型插入損失爲lx=〇 . 0 5 d B之EDF對SMF接食。圖19中表示由兩EDF對 SMF接合所發散之泵功率（各爲〇 . 〇5dB) » 第三泵功銮搢失裝置爲纖維傳輸損失。後者有隨纖維 . ·· 、-· —- 一^·-·*--------------- NA呈指數函數增加之趨勢。（見，例如，1 9 9 0年紐 約Marcel Dekker所出第二版，第1 〇 1頁中，由L_.B.Jeun -homme所寫之單模式光纖）。於是，每公里之背景損失對 標準之SMF比對一E D F有較大之趨勢。具高NA (大 於0 . 3 0 )之E D F，比較於低N A (小於Q . 1 7 ) EDF之低於0·5dB/km之背景損失，典型上在 1 5 5 0 nm下有大於3 . 5 d B/km之背景損失。放 大器間之掘流排纖維對傳輸損失也有貢獻。—感知器陣列 典型上在感知器間有2至4米之纖維且每一橫梯有8至 1 6個感知器，或Lf〜0 . 0 l dB。圖1 9之較低曲 線是就背景損失爲Le = 0 . OldB (3dB/fcm及 3 . 5#EDF)與Lf = 0 · OldB而畫成。此處假 設無引線纖維。然而’當使用典型上爲1_10公里長之 引線時，必須含引線之#輸損失。 目前，已經假設固定之平均訊號功率爲5mW。圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -56 · (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂- k 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 ___B7___ 五、發明説明（54 ) 2 〇表示m號功率對總發散窠功率之效應。針對各四個輸 .入訊號功率加以設置曲線。各曲線表示單放大器汲之總泵 散發功率對輸入泵功率之關係。爲了比較，虛曲線表示單 、. 獨由耦合器所散發之泵功率。轍入泵功率在1 0 Om W.总 上時，實曲線爲平行，表示EDFA功率||換與某一位進 以上之泵功率無關，且如稍旱所討論，與輸入訊號功率成 比例》對於高平均訊號功率（1 OmW)與低輸入泵功率 * (<300mW) ，l〇mW曲線與OmW曲線間之比較 表示放大器對泵功率之吸收大於所有其它損失項目之總和 。爲更降低泵功率預算，可降低平均訊號功率，但這會直 接降低S N R。 所考慮之最後損失裝置產生自連接器。如上說明，最 好將陣列分成區段再加以連接器，且連接器在典型應用之 嚴酷環境中（例如，在海中），最好是強韌的。栗功率預 算對連接器之重大與可變損失應是不敏感的。一個良好的 連接器可能有低如〇 . 2 d B之插入損失，且一陣列可能 由多至5 0個區段組成。這會對每一陣列之泵預算增加多 達1 0 d B之損失，且增加訊號損失預算多達2 0 d B ( 來回）。 鑑於單一放大器之泵功率預算，可建構一大陣列放大 器之預算，所有預算皆由一單一來源之前端加以激勵。從 方程式2 0，投射第k放大器上之泵功率pk與前（第k —1個）放大器所傳輸之泵功率Pk-i有關： pk = (21) (.請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） •57- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（55) 其中，P、b S爲投射在第k放大器之訊號功率之函數。 輸入泵功率p pjX、須夠大，使得抵達最後一個放t器之泵 功率P n大於某最小噶。設定後者加以確定最後一個放大 器提供足夠的增益，即它甚大於。當pn增加 時，所有放大器接收更多泵功率且跨所有放大器之增益更 均勻（見圖18)，且因此跨陣列之回返訊號功率就更均 句了。因此，設定Pn成可在所有放大器之間將增益之變 化保持在某預期位準下。依序，Ρ η決定必須被供應給第 一放大器Pi之泵功率。在此分析中，設定Ρη等於1 0 0 mW，其大於放大器臨界功率或平均訊號功率許多倍。 利用方程式2 1與圖1 9中詳細指定之損失預算，圖 2 1表示沿著具1 3個放大器之陣列，投射在各放大器上 之泵功率之沿革。圖21所用之參數爲5mW之輸入訊號 功率，1536nm之訊號波長，1480nm之栗波長 ，每一橫梯1 5個感知器，每一感知器5 d B之插入損失 ，8 0%之分佈匯流排耦合率Cd ’以及一5 0%之回返 匯流排耦合率C r »如上說明，選取最後兩値將雜訊指 數减至最小。_兩曲線蠢丰要部分爲耦合耦合_器插入損失。 分佈匯流排所需輸入泵功率爲1 1 〇 〇 m $，_而回返匯流 —·· —'— ' ·· -. 排爲450mW(見圖21)。由於在此匯流排上較大之 平均訊號功率與較大之耦合率’故這兩種需求之差異爲將 泵功率作較大之轉換成分佈匯流排上之訊號功率。所需之 聯合輸入泵功率約爲1 · 5W，這是一合理的値，且從包 覆激勵，分段連接式Raman纖維雷射中隨時可取得° (見 -----,------裝—；-I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 4. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（21〇Χ297公釐） -58- B7 五、發明説明（56) ，例如，_1 9 9 5年，技術女摘光放大器與其應用中，第 19 7 — 199頁中，由5.0.〇131)1)，1.5匕385&1'，界.丫.(：1^1111 g, W.A.Reed,V.Mizrahi,T.Erdogan,P.J.Lemaire,A.M.Vengsarka manosilicate纖維之高功率1 . 48#m分段連接式 圖2 2表示圖2 1中所塑造陣列之SNR對感知器數 量之關係。所有感知器之SNR大於1 2 0dB。在陣列 任一端之感知器回返最少之訊號功率量，而陣列中間部分 的感知器則回返最大的於是，在任一端之感知器有最 ’ .....— - ' 低之感知器，而中間部分之感知器則最高。最佳與最差感 知器間之SNR差異只有4 . 3 dB，對大部分之應用而 言這應足夠。然而，以下將說明在跨陣列中提供較均勻 SNR之一些方法。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 .(請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 如利用一大泵功率無法實際將跨陣列之增益變化減至 最小，則必須使用某些額外之方法。一個這種方法爲在各 匯流排之遠端加入一纖維Bragg光柵加以反射泵訊號。（ 見，圖23b，並討論如下）。這將回收非爲各極流排上 最後一個放大器所消耗之任何泵功率且增加投射在最後幾 個放大器上之泵功率量。雖然這是一有效與經濟之設計， 在朝向等化所有感知器之SN R上，它只提供一小改善。 第二個方法爲稍微使用較長放大器長度給連續 E D F A。根據預測投射之泵功率調整各放大器之長度產 生正確之增益。對於跨陣列之泵功率以及跨陣列之每一感 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -59- 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 ___B7_五、發明説明（57 ) 知器之最次敏感度均勻性，這方法真的達到最低之增益變 化，但其代價爲失去完全之模組性。 第三種方法爲利用圖2 3 a中所示之向前饋入拓樸。 (見，例如，1 9 8 7年由J.L.Horner所編輯，加州聖地 牙哥學院公報之光訊號處理中由K.D.Jackson,與H.J.Shaw 所寫之a光纖延遲線訊號處理〃，以及1 9 9 5年OSA 技術文摘系列，OFC<96，第二冊之文件ThP5中 产 '，由 A.D. Kersey，A.Dandridge，A.R.Davis，C.K.Kirdendall，M.J. Marrone，及D.G.Gross所寫之"具E D F A遙感勘測術之 6 4 —元件分時多工式干涉感知器陣列"）。與圖1 6最 主要之差異爲光輸入訊號被發放入一分佈匯流排4· 60之 背端內且在分佈匯流排4 6 0與回返匯流排4 6 4上朝陣 列4 6 2之前面向前傳播，其中，兩匯流排由橫梯4 6 8 所鏈結。如每一匯流排有η個放大器4 6 6，則行經橫梯 上之訊號會經由分佈匯流排4 6 0上之k放大器及回返匯 流排462上之（η - k + Ι)放大器，即總共（n + 1 )個放大器，加以傳播。於是所有訊號行經相同數量之放 大器。在此處指的是向後饋入（圖1 6 )之先前拓樸中， 自第一橫梯感知器之訊號只行經兩放大器而自最後一個橫 梯放大器之訊號則行經兩匯流排上之所有放大器（即2 η 個放大器）。對於兩陣列拓樸，A S Ε以相同速率加以累 積，且因此方程式1 3同時保持向前饋入拓樸。對於兩拓 樸而言，從前端供應泵功率給放大器使得在前面之放大器 接收最大量之泵功率而在後面之放大器接收最小量之泵功 —I n !1 n 1 - I - 1 - n - n - - n n n 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -60- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（58 ) 率。沿著#匯流排以相同方式消耗泵功率，且各泵功率之 增益以相同方式隨泵功率變動。然而’就向後饋入之情況 而言，放大器之增益變動有累積之趨勢’而自各感知器之 回返訊號功率則不同。對照之下，就向前饋入之情況而言 ，每一橫梯之任何小淨增益或小淨損失有取消之趨勢’使 得在光感知器中對任何光路徑之累積增益或損失大大降低 。於是，回返自所有感绅器之功率在跨陣列中有更均勻之 趨勢。 對向.前饋入陣列有兩事歲。第一爲需要_ —.額$夕_ .流 排纖維將訊號帶至1fi之違端。因此，每一陣列有三個匯 流排，且每個連接器需要一額外之:ϋ遷植，這增·加其尺 寸，重量，及成本。第二壞處爲如圖2 3 a所示，必需將 延遲4 7 0加進一匯流排中。就兩拓樸而言，可質詢一感 知器之最大時間等於訊號之路徑長度差，此訊辑行經一比 較於毗鄰感知器之一個感知器。在向後饋入拓樸中（圖 16)，感知器之間隔提供一固有之路徑差。在向前饋入 拓樸中（圖2 3 a )在感知器之間無固有路徑差。因此， 必須將延遲纖維加進一（且只有一）匯流排中加以產生一 路徑長度差並提供一時間窗對一感知器加以取樣（如圖 2 3 a之回返匯流排上所示）。例如，如需要一 Γ 4 . 6 n s之時間窗則必須加進3米之額外纖維。兩個環庳造成 訊號具較長之路徑長度使得L f較大且非線性效應更大。 圖2 3 b表示在意義上與圖2 3 a類似之感知器陣列 ，此意義爲所有訊號行經相同之放大器數量。分佈匯流排 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ------------裝丨丨----訂-----'.^線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（59) 4 9 〇與®返匯流排4 9 2乏泵功率以及輸入訊號進入裝 置之前面。而且，在各匯流排4 9 0與4 9 2之末端含纖 維Bragg光柵4 8 0加以反射未用之功率。 圖2 4表示圖2 3 a中陣列之S N R對感知器敫量之 關係，但包含各匯流排遠端之9 0 %泵反射器’如那些表 示在圖2 3 b者，且除具重大意義較小之泵功率外’使用 如圖2 1與2 2之相同哼列參數，特別是P p = 7 0 0 mW (分佈匯流排）與Pp=3 0 OmW (回返匯流排） 。所有感知器S N p大，1 2 〇 . d R。所有感知器幾乎逗I 返同量之訊號功率，且因此提，象爷银囘t S N R乂最佳 與最差感知器間之SNR差共有3 · 1 dB ’這小於僵 22中之SNR差。 降低沿著陣列每一放大器增益變化之第四個方法爲雙 向激勵，如圖2 5中所示之向前饋入拓樸。這暉列含具有 多數分佈匯流排放大器4 9 2之分佈匯流排4 9 0以及具 有多數回返匯流排放大器4 9 3之回返匯流排4 9 1。多 數橫梯4 9 4位在兩匯流排4 9 0與4 9 1之間。以向後 饋入拓樸可施行一類似之雙向激勵設計。從分佈匯流排 4 9 0兩端加以激勵，放大器4 9 2就在兩近及遠端接收 最高之泵功率，而在中間部分之放大器接收最低之泵功率 。而且，端末與中間部分放大器之間的泵功率差甚低於單 向激勵之陣列（圖16與2 3 a)，因此降低端末與中間 部分放大器之間每一放夫器之增益差。此方法也有降低整 體泵功率預算之趨勢。雙向激勵之成本爲一額外之匯流排 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 本纸張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） -62 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 __B7 _. _五、發明説明（60 ) 纖維用以—將泵功.率傳輸至陣列之遠端及一 3 d B之耦合器 加以將泵動力分離至兩匯流排，即，對於向後饋入，每一 陣列有三個匯流排纖維或對於向前饋入有四個匯流排纖維 。在每一連接器中，有一額外之纖維連結，這再次增加了 尺寸傳輸損失與非線性效應更大。 爲使這些陣列之效能達最佳化，最好將泵功率之需求 減至最小而將所有感知择之S N R增至最大。控制功率需 求與雜訊指數之主要參數爲耦合率C 〇與C r及每一橫梯之 感知器數量j或其補餘，如上所說明，補餘爲每一匯流排 之放大器數量或每一陣列之橫梯數η。圖2 6表示雜訊指 數（NF )與對Cd之輸入泵功率需求（ΡΡ)所計算出來 的相依性》四對曲線塑造η與j之各種組合使得感知器之 總數量大槪固定（N〜2 0 0 )。回返匯流排耦合率Cr 被設成5 0 %，如上所說明，這幾乎使N F達刹最小。當 Cd增加時，NF穩定減少而PP增加。當（d大時’這種 增加快速。對於j =1 0與n = 20诗，如上說明’這是 被確認出之最隹架構，此雜訊指數較佳，但泵功率比所有 其它狀況爲高。相反地，對於j =20與η = 10，雜訊 指數較高，但泵功率比所有其它狀況爲低。於是，對一固 定之Cd而言，增加每一橫梯之感知器數量與降低每一匯 流排之放大器數量，可改善泵功率需求’卻以退降之雜訊 指數爲代價。藉著稍微增加C d，可補償雜訊指數之增加 而仍降低泵功率之需求。 圖2 6表示對於具以上所說明之最佳架構之—2 0 0 I 1 ij· , 1.i < n I n ——訂一~ 111. 、r*l#l (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -63- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 ___B7__五、發明説明（61 ) 個感知器一陣列（j=10與n = 20)，對Cd=80% 時，NF爲3 9 d B，但分佈匯流排功率需求大於2W » 對照之下，j=15與n = 13時，NF增加ldB，但 分佈匯流排泵功率需求降至9 5 OmW，這是合理的量且 可得自包覆激勵之纖維雷射。如C d增至8 5 %，N F之 罰點就消失了，增益Gd必須增加1 . 25dB，而泵功 率需求則變成1 . 2W。當每一橫梯之感知器數量j增加 超出以上討論之最佳値時（j = 1 0與η = 2 0 )，對於 固定之Cd而言，雜訊指數增加（見圖12)。且當j增 加時，對固定之Cd而言，泵功率需求減低。當每一匯流 排一放大器時（η = 1且j = N )，發生最小之泵·功率需 求，但雜訊指數卻令人無法接受地大大成長。 爲進一步協助比較雜訊指數與泵功率需求間之妥協， 圖2 7表示N F對所需泵功率之關係。這些曲線直接得自 圖2 6，其中，C d沿各曲線增加而各種曲線係針對上述 j與η之相同組合。這些曲線表示當每一橫梯之感知器數 量增加時，泵功率需求連續降低。於是，每一匯流排之放 大器數量也被減至最小。而且’當Cd增加時（見圖2 6 )，雜訊指數連續降低，故各放大器之增益應被增至最大 。但當較大量之泵功率被轉換至訊號功率時’對大Cd® 言，泵功率需求則快速增加。於是，以遠地激勵之設計’ 對於究竟C d能多大就有一極限。如遠地激勵不是關鍵且 如果對陣列無電氣連結之運作需作可以減緩，則可以放大 器身之泵雷射二極體對各放大器加以激勵。於是’各放大 -----------丨裝--------訂---^---線----: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -64- 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 __；___B7_________五、發明説明（62 ) 器比實際1以遠地激勵之設計能有較大之增益且可達成一 較低之N F。 在圖2 8所示之第二組曲線中，畫出NF與pP對 C r之關係。四對曲線塑造如圖2 6之η與j之相同組合 ，再次，N〜200 »對各曲線選取Cd値（從圖26) 使得當Cr = 50%時，所有曲線之NF = 40dB。類 似於分佈匯流排，當（：％增加時，PP也增加。對於j = 1 0及n = 2 0時，如亦適用於圖2 6般，泵功率比其它 狀況差。對於j=20及n=10時，如同圖26般，泵 功率低於其它狀況。對於j =1 5及n = l 3時，回返匯 流排泵功率需求爲4 0 OmW，這是一非常合理的量。 圖2 6與2 8—表示對泵功率需求表現之兩有興趣範圍 。在第一節圍中，耦合率低，泵功銮需求十分固宙。在泵 波長下之被動式零件損失支配泵功率預算，即散發損失比 餌離子顯著消耗更多之泵功率。在第二ϋ圍中，多夕 ，泵功率需求快速增加。當放大器將掌戈婁之泵功率餺換 成訊號功率，用以補償耦合器時，放大器所消耗之泵功率 支配著泵預算二 爲降低功率需求，必須在泵功率預算與訊號雜訊比之 間取得妥協。藉降低每一匯流排之放大器數量大槪1 / 3 ，這超出稍前所說明（j = 1 0及η = 2 0 )之最佳架構 ，可降低泵預算大於5 0%，將其往下帶至實際位準，而 僅稍微增加NF (1 . 5dB)。然而，藉增加分佈匯流 排耦合率加以增加供應至橫梯之訊號功率。緩和了 N F之 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -65- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央棣準局員工消費合作社印製 A7 __B7_______五、發明説明（63 ) 上升且稍撤提升泵功率之需求。一對纖維匯流排以大槪 1W之泵功率可因此支援3 0 0個高敏感度（1 # r a d /Hz)之感知器。 在本發明最一般應用之文中，現在對本發明加以說明 。圖29表示供遠地用，具有放大器501，50 2及感 知器503之一般感知器陣列500»近端504 (陸地 或船上系統之一部分）含光源5 0 5與一接收器5 0 6。 t 遠端5 0 7 (在水中）含感知器與放大器5 0 2。一引線 508將近端504與遠端507連接一起。 圖3 0表示一具有1 0 0 0個感知器5 2 2之全尺寸 水診器陣列5 2 0，感知器5 2 2各含2 5 0個感知器之 陣列524。所有1000個感知器522以一8 —纖維 之電纜線加以支援，此電纜線之直徑小於3公分。需要8 個泵雷射526與4個訊號雷射528 »替代地，可在四 個感知器陣列5 2 4中分享一訊號雷射。使用4個接收器 5 3 0，與一被動式系統所含之數百接收器比較，顯著節 省了成本，特製地板空間與體積（例如，在船板上）》 只要不偏離本發明之精神或基本特性，可以其它特定 形式將本發明加以具體化。所說明之實例，僅如圖示將以 所有方面作考量而非只限於此。因此本發明之範圍以附加 申請專利範圍項目所表示而非先前說明。意義內與申請專 利項目對等範圍之所有改變將被包含在那範圍內。 圖式簡述 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210χ297公釐） · 66 - (讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 修三 補亦. 磁年 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（64) 圖1說明未加以放大之被動式感知器陣列。 圖2說明如本發明第二方面所說明之放大器-耦合器 架構中之放大式陣列。 ' 圖3說明如本發明第二方面所說明之放大器一耦合器 架構中之放大式陣列。 圖4 a.針對每一橫梯一個感知器之耦合器一放大器與 放大器-耦合器架構說明被動式陣列與放大式陣列的最佳 分佈匯流排耦合率。 圖4 b說明針對被動式與放大式陣列而言，當感知器 數量增加時，最差感知器之雜訊指數，其中，就放大式之 陣列而言’所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 圖5 a說明根據本發明第三方面之一放大式陣列，其 在次陣列與耦合器。放大器架構中具備多重感知器，本架 構利用星型纖維耦合器在各次陣列中加以分佈訊號。 圖5 b說明類似於圖5 a之一放大式之陣列，其中， 在各次陣列中有設置一分佈匯流排與一回返匯流排。 圖6 a就各種分佈匯流排耦合率與1 〇 〇個感知器長 之放大器，耦合器架構中之感知器次陣列中之各種感知器 數量說明圖5 a中所示感知器陣列之最差感知器的雜訊指 數，其中所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 圖6 b就各種分佈匯流排耦合率與1 〇 〇個感知器長 之耦合器，放大器架構中之感知器次陣列中之各種感知器 數量說明圖5 a中所示感知器陣列之最差感知器的雜訊指 數，其中，所有感知器正常上有相同之雜訊指數。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-67 - _!!1!，、裝！| 訂·！ I {請先閲讀背面之注意事項再填貧本頁) 線 ¥ 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（65 ) 圖6 _c就各種回返匯流排耦合率與次陣列中之各種感 知器數量，說明感知器陣列最差感知器之雜訊指數。 圖7 a對於每一次陣列具備一個感知器以及回返匯流 排耦合率爲0 . 5之1 0 0個感知器的被動式與放大式之 陣列，說明感知器損失對於系統雜訊指數之效應。 圖7 b對於1 〇 〇個感知器之被動式與放大式之陣列 ，說明接合與耦合器入損失對於系統雜訊指數之效應。 圖8說明利用分時多工方式之偵測訊號與回返訊號的 時序圖。 _ 圖9說明具備雙向感知器與雙向匯流排之陣列，其中 ，匯流排之功能爲分佈匯流排與回返匯流排。 圖10說明具備分時多工方式之槪念上之放大式感知 器。 圖1 1說明一槪念上放大式感知器陣列，其中，多重 感知器（例如，4)利用兩個I X j之星型耦合器在各橫 梯中加以作多工處理。 圖1 2陣列對於每一纖維對總感知器爲6 0，1 2 0 ，150及320並具備參數値爲Cd=80%， Cr=50%，Ls = 5dB，及 Lx〇 . 5dB 之陣列 ’說明雜訊指數對每一橫梯感知器數量之關係。 圖13之較低曲線說明每一橫梯之最隹感知器數量對 陣列中總感知器數量之關係，將雜訊指數減至最小（得自 圖感知器陣列中最小値乏軌跡），且較高曲線說明每一陣 列中橫梯之最佳數量（對等於每一匯流排上放大器之最佳 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -β

本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 68 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __ _B7___五、發明説明（66 ) 數量）對每一陣列中感知器總數量之關係。 圖1 4之較高曲線對於_ 2 0 0個感知器之陣列，說 明雜訊指數（NF )對分佈匯流排耦合率Cd及回返匯流 排耦合率Cr之關係，NF對Cr以Cd=80%及j =1 0之虛線表示，而NF對Cd以Cr = 5 0%之實曲線表示 ，並在底下實曲線中說明每一橫梯之最佳感知器數量，其 就一特定之Cd而言使NF減至最小。 圖1 5對於一最佳放大之陣列（實曲線）與一最佳被 動式陣列（虛曲線），說明雜訊指數對感知器總數量之關 係。 . 圖1 6說明具備分時多工方式之槪念上之放大式感知 器及在各橫梯上加以作多工處理之多重感知器。 圖1 7說明具備圖1 6放大器之單一橫梯之細節，表 示泵功率之重大損失裝置。 圖1 8說明單一短長度摻餌纖維放大器（EDFA) 增益對輸入泵功率有興趣範圍內之各種輸入訊號功率之泵 功率的關係，其中，輸入泵功率被纖維之非線性效應限定 在高處且藉著將橫跨陣列之增益差減至最小將輸入泵功率 限定在低處。 圖1 9說明單一放大器汲中之發散泵功_、率對投射泵功 率之關係，其中，耦合器超出損失，接合插入損失，及纖 維傳輸損失皆與投射泵功率成比例，且典型上主要耦合器 損失。 圖20說明OmW，lmW’ 5mV，及平均輸入訊 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 69 - A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（67 ) 號功率爲V〇 mW之總泵功率損失，並示以耦合器漏失供 參改。 圖21對於每一匯流排具13個放大器且每一橫梯， 具15個感知器（即，總共195個感知器），且具參數 値 Cr = 5 0%，Ls = 5dB，與 Lx = 0 . 4dB， 且具輸入泵功率之一陣列，說明投射在各放大器之泵功率 ，其中，輸入泵被選取@使得1 0 0 m W投射在最後一個 放大器上。 圖2 2說明訊號雜訊比對圖2 1陣列感知器數量之關 係。 圖2 3 a說明具放大向前饋入拓樸之感知器陣列，並 具一額外之匯流排纖維與在一匯流排上之纖維延遲源，其 中，向前饋入拓樸有等於回返自所有感知器之訊號功率的 .傾向。' ^ 圖2 3 b說明一感知器陣列，其也有等於回返自所有 感知器之訊號功率的傾向，並在各匯流排末端加入纖維 BRAGG光柵用以反射未用之泵功率。 圖2 4說明向前饋入拓樸之訊號雜訊比對感知器數量 之關係。 圖2 5說明類似於圖1 6之槪念上之放大式感知器陣 列，具放大器之雙向激勵用以降低橫跨陣列中，投射在各 放大器之泵功率範圍並等於回返自所有感知器之訊號功率 0 圖2 6說明雜訊指數與分佈匯流排輸入泵功率需求對 ^^1- nn (I ih f ί I j— I4H n (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ❹ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -70- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（68 ) 每一匯流-排具10，13，17與20個放大器及每一橫 梯有對等20，15，12，10個感知器（即每一陣列 有N 2 0 0個總感知器）及回返匯流排耦合率被設成 5 0 %之陣列的分佈匯流排耦合率之關係》 圖2 7說明曲線得自圖2 6之雜訊指數對泵功率之關 係，其中，C d沿著個別曲線而變，而j與η則維持固定 〇 圖28說明每一匯流排具10，13，17及20個 放大器及每一橫梯有對等20，1 5，1 2，1 0個感知 器（即每一陣列有Ν 2 0 0個總感知器）之陣列之回返 匯流排輸入泵功率需求對回返匯流排耦合率之關係，.其中

，分佈匯流排被設成使Cr=50%時，NF = 40dB 6 圖2 9說明本發明之一應用，其中，含光渾與一接收 器之乾的一端在陸地上或者在板子上有一導管，且含感知 器陣列之濕的一端部分在水面下。 圖3 0說明含1 0 0 0個感知器之水診器，其中， 1 0 0 0個感知器是佈置在四個陣列中’每個陣列有 250個感知器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >Α4規格（210X297公釐） -71 - -----r--HI-^ -,丨裝--------訂---；--、線 , -^ . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. «本正充 修_ 年 曰 ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 t、申請專利範圍 附件习 第86 1 09833號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國88年2月修正 1 . 一種光感知器架構，含： 許多感知器，其接收一光訊並輸出干擾光訊號； 一分佈匯流排，其被耦合至各感知器加以將光訊號分 佈至各感知器； —回返匯流排，其被耦合器至各感知器，加以接收來 自各感知器之干擾光訊號，並包含此訊號作爲回返訊號之 —部分； 許多第一光放大器，其沿著分佈匯流排長度分佈在所 選定之位置用以將分佈光訊號之功率維持在一選取位準； 以及 . I 丨.1. 許多第二光放大器，其沿著回返匯流排長度分佈在所 選定之位置用以維持回返訊號中干擾光訊號之功率。 2 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 各第一與第二光放大器含摻餌光纖維之一部分。 3 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 來自各感知器之干擾光訊號在回返訊號內被加以作分時多 工處理。 4 ·如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 各第一光放大器沿著分佈匯流排設置，使得各個別第一光 放大器在將光訊號加以耦合至各個別感知器內前先立即將 光訊號加以放大。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -a 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） «本正充 修_ 年 曰 ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 t、申請專利範圍 附件习 第86 1 09833號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國88年2月修正 1 . 一種光感知器架構，含： 許多感知器，其接收一光訊並輸出干擾光訊號； 一分佈匯流排，其被耦合至各感知器加以將光訊號分 佈至各感知器； —回返匯流排，其被耦合器至各感知器，加以接收來 自各感知器之干擾光訊號，並包含此訊號作爲回返訊號之 —部分； 許多第一光放大器，其沿著分佈匯流排長度分佈在所 選定之位置用以將分佈光訊號之功率維持在一選取位準； 以及 . I 丨.1. 許多第二光放大器，其沿著回返匯流排長度分佈在所 選定之位置用以維持回返訊號中干擾光訊號之功率。 2 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 各第一與第二光放大器含摻餌光纖維之一部分。 3 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 來自各感知器之干擾光訊號在回返訊號內被加以作分時多 工處理。 4 ·如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 各第一光放大器沿著分佈匯流排設置，使得各個別第一光 放大器在將光訊號加以耦合至各個別感知器內前先立即將 光訊號加以放大。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -a 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 5 .如申請專利範圍第4項之光感知器奧構，其中， 選取各第一光放大器之增益，實質上彌補光訊號所遭受之 損失。 . 6 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中， 各第一光放大器沿著分佈匯流排設置，使得各個別第一光 放大器在將光訊號一部分加以耦合至各個別感知器內後立 即將光訊號加以放大。 7 .如申請專利範圍第6項之光感知器罘構，其中， 選取各第一光放大器之增益，實質上彌補光訊號所遭受之 損失。 8 .如申請專利範圍第1項之光感知器契構，其中， 各第二光放大_沿著回返匯流排設置，使得各個別第一光 放大器在將干擾光訊號從各個別感知器加以耦合至回返匯 流排上後，立即.將回返訊號加以放大。 9 .如申請專利範圍第8項之光感知器架構，其中， 選取沿著回返匯流排上各第二光放大器之增益，實質上彌 補回返訊號所遭受之損失。 1 〇 .如申請專利範圍第1項之光感知器架構，其中 ，各第二光放大器沿著回返匯流排設置，使得各個別第二 光放大器在將干擾光訊號從各個別感知器加以耦合至回返 匯流排上前，立即將已在回返匯流排上之回返訊號加以放 大。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之光感知器架構，其 中，選取沿著回返匯流排上各第二光放大器之增益，實質 > 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 2 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 上彌補回返訊號所遭受之損失。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之光辱..却器架構，其中 ，各光感知器與分佈匯流排間之耦合率在大槪〇 . 2與 0 · 4之間。 1 3 .如申請專利範圍第1項之光感甩舉架樓，其中 ，使用一分波長多工器將各感知器加以耦合至分佈匯流排 以及使用一分波長多工器將各感知器加以耦合至分佈匯流 排。 1 4 . 一種光感知器架構，.含： 許多感知器組，‘各感光器組含至少一個感知器，其接 收一光訊號並輸出一干擾光訊號； 一分佈匯流排，其被耦合至各感光器組加以將光訊號 分佈至各感知器組； 一回返匯流排，其被耦合器至各感光器組，加以接收 來自各感光器組之干擾光訊號； 許多第一光放大器，其沿著分佈匯流排長度分佈在所 選定之位置，用以對各感知器組之光訊號功率維持在一適 當位準；以及 許多第二光放大器，其沿著回返匯流排長度分佈在所 選定之位置用以維持回返匯流排上，干擾光訊號之功率。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所定義之光感知器架 — I,,, , . 構，其中，各感知器組藉耦合含個別感知器組之各感知器 之個別第一端以及藉耦合含個別感知器組之各感知器之個 別第二端而形成，該第一端被耦合至該分佈匯流排，該第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ΓΤΙ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ABCD 經濟部中央標準局員Η消費合作社印製 六、申請專利範園 二端被耦合至該回返匯流排。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項所定義之光感知器架 _，其中，一星型纖維耦合器耦合各個別感知器組中各感 知器之第一端且一星型纖維親合器耦合各個別感知器組中 各感知器之第二端。 1 7 .如申請專利範圍第1 4項所定義之光感知器架 構，其中，從分佈匯流排經一單一感知器組中各感知器至 回返匯流排之纖維路徑長度與各個別感知器組中之各感知 器不同。 1 8 .如申請專利範圍第1 4項之光感知器架構，其 中，各光感知器組含至少兩個光感知器。 1 9 .如申請專利範圍第1 4項之光感知器架構，其 中，各光感知器組含至少四個光感知器。 2 0 ..如申請專利範圍第1 4項之光威知裝®樽，其 中，各感知器組第一端與分佈匯流排間之耦合率在大槪 0 . 4與0 . 9 5之間。 2 1 .如申請專利範圍第1 4項之光感知器架構，其 中，各感知器組含耦合在該分佈匯流排與該回返匯流排間 之許多感知器，且選取各感知器組中之感知器數量對該干 擾光訊號提供最大之訊號雜訊比。 2 2 . —種光感知器架構，含： 許多裝置，用以感知一參數； 裝置，用以將第一光訊號分佈至各該感知器裝置； 裝置，用以從各該感知裝置將第二光訊號加以回返； ---------:农-- (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) <ST 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） A8 B8 C8 D8 經濟部t央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 許多裝置，用以將沿著該分佈裝置以間距隔開之該第 —光訊號加以放大；以及 許多裝置，用以將沿著該回返裝置以間距隔開之該第 二光訊號加以放大。 2 3 .如申請專利範圍第2 2項之光感知器架構，其 中，各該感知器裝置含許多耦合在該分佈裝置與該回返裝 置間之感知器以及選取各感知器裝置中之感知器數量，對 該第二光訊號提供最大之訊號雜訊比。 2 4 .如申請專利範圍第2 2項之光感知器架青”其 中，該參數爲一音波輸入。 2 5 · —種降低雜訊指數之方法，在一回返自一感知 器架構之訊號中，用以降低雜訊指數位準，加以產生光輸 出，包含下列步驟： 利用許多感知器加以產生輸出訊號； 經由一耦合至各感知器之分佈匯流排，傳輸一光訊號 ， 將各感知器將輸出訊號加以耦合入一回返訊號內，該 回返訊號經由一耦合至各感知器之回返匯流排加以攜載’ 以及 以及汲放大器沿著分佈與回返匯流排將光與回返訊號 加以放大，增加感知器架構內之訊號雜訊比。 2 6 .如申請專利範圍第2 5項之方法，其中，該許 多感知器係配置成耦合在該分佈匯流排與該回返匯流排之 間的次陣列，且其中，該方法更含對各次陣列選取感知器 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .丨装_ 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 5 - u ABCD 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 最佳數量之步驟。 2 7 .如申請專利範圍第2 5項之方法，其中，藉著 將各感知器與分佈匯流排間之耦合率加以最佳化可進一步 改善訊號雜訊比。 2 8 .如申請專利範圍第2 7項之方法，其中，藉著 將各感知器與回返匯流排間之耦合率加以最佳化可進一步 改善訊號雜訊比。 2 9 ·如申請專利範圍第2 5項之方法，其中，藉著 將各感知器與回返匯流排間之耦合率加以最佳化可進一步 改善訊號雜訊比。 3 0 . —種光感知器陣列最佳化之方法，包含： 設置光感知器陣列，該光感知器陣列位於從一來源傳 播一輸入光訊號之分佈纖維與將干擾之光訊號回返至一偵 測器之回返纖維之間，各光感知器被一個別之輸入親合器 耦合至該分佈纖維且被一個別輸出稱合器稱_合至該回返纖 維； 在該輸入分佈纖維與該回返纖維之選取位置插入許多 放大器，該放大器補償該陣列中之損失；以及 對該耦合器選取耦合率且對該放大器選取增益使系統 雜訊指數達最佳化，該系統雜訊指數爲輸入光訊號之訊號 雜訊比對具有一最低訊號雜訊比之感知器中光訊號之訊號 雜訊比的比率。 3 1 .如申請專利範圍第3 0項之方法，其中，該陣 列包含許多耦合在該分佈纖維與該回返纖維間之次陣列， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ΓβΤ ~ ~~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本百) -—^- I —訂 V mu —^n fm · MW— 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 且其中，該方法更包含對各次陣列選取最佳感知器數量之 步驟。 3 2 . —種光感知器陣列達最佳化之方法:，包含： 設置光感知器陣列’其中，光感知器被許多耦合器耦 · . · 合至一光纖； 以許多放大器將在該光纖內傳播之一光訊號加以放大 ，用以補償該陣列內之損失；以及 對該耦合器取耦，合率且對該放大器選取增益使系統雜 訊指數達最佳化，該系統雜訊指數爲輸出光訊號之訊號雜 訊比對具有一最低訊號雜訊比之感知器中光訊號之訊號雜 訊比的比率。 33.—種光感知器架構，包含： 許多感知器’其接收一輸入光訊號並回應一感知參數 輸出干.擾之光訊號； .至少一光纖，其將一光訊號分佈至感知器並從各感知 器回返一干擾光訊號；以@ 許多光放大器，其沿著該至少一光纖之長度分佈在選 取位置’用以維護分佈光訊號與回返干擾光訊號之功率在 選取位準。 3 4 .如申請專利範圍第3 3項之光感知器架構，其 中： /該至少一光纖含將該輸入光訊號傳播至該感知器之一 分佈纖維與從該感知器接收該干擾光訊號之一回返纖維； 以及 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 該許多放大器含在該分佈纖維內之第一組放大器與在 該回返纖維內之第二組放大器。 3 5 .如申請專利範圍第3 3項之光感知器架構’其 中： 該至少一光纖以第一方向將該輸入光訊號傳播至該感 知器並以相反於該第一方向之第二方向將該干擾光訊號從 該感知器加以傳播；以及 該許多放大器在該至少一光纖內含一單組放大器，該 許多放大器將以該第一方向在該至少一光纖內傳播之該輸 入光訊號加以放大器並將以該第二方向在該至少一光纖內 傳播之該干擾光訊號加以放大。 3 6 . —種光感知器暉列架構，包含： 一分佈匯流排，其接收與分佈一光輸入訊號，該分佈 匯流排傳播一分佈匯流排泵訊號； 一回返匯流排，其接收許多光回返訊號並提供該光回 返訊號作爲輸出訊號，該回返匯流排傳播一回返匯流排泵 訊號； 許多橫梯，其耦合在該分佈匯流排與該回返匯流排之 間，各該橫梯含至少一感知器，此感知器接收該光輸入訊 號一個別部分並產生該光回返訊號之其中之一； 回應該分佈匯流排泵訊號之該分#匯流％中之許多輸 入光放大器，該輸入光放大器將該光輸入訊號加以放大， 並具有對各該橫梯，維持該光輸入訊號在一選取訊號位 準之增益；以及 — I I II I - -I --:-1 I I . I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} *1T 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（21〇Χ297公釐） -8- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 回應該回返匯流排泵訊號之該回返匯流排中之許多輸 出光放大器，該輸出光放大器將由該橫梯中之該感知器所 產生之該回返訊號加以放大，並具有實質上將該光回返訊 號之大小加以等化之增益。 3 7 .如申請專利範圍第3 6項之架構，其中： 當以較大之泵能量施加功率時，該放大器之增益較大 ，以及 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 該分佈匯流排泵訊號與該回返匯流排泵訊號進入該分 佈匯流排與該回返匯流排之個別端，該分佈泵訊號導致對 該輸入光放大器施加功率之不均等以及該輸入光放大器之 個別增益差，該回返匯流排泵訊號導致對該輸出光放大器 施加功率之不均等以及該輸出光放大器之個別增益差，該 輸入光放大器，該輸出光放大器與該橫梯在這種位置上使 得該架構界定許多光路徑，這些光路徑含該輸入光放大器 與該輸出光放大器之不同組合，這些瑜入/出光放大器有 個別之累積增益，選取該輸入光放大器與該輸出光放大器 之增益使得可降低該光路徑間之該累積增益差，因此，降 低該架構之雜訊指數。 3 8 .如申請專利範圍第3 7項之架構，其中，該放 大器位於沿著該匯流排，使得該光路徑含一等數量之放大 器。 3 9 .如申請專利範圍第3 8頂之架構，其中，該光 輸入訊號在該分佈匯流排之該個別端Z相對端進入該分佈 匯流排，且該光回返訊號離開該回返匯流排之該個別端。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α·4規格（210X297公釐） -9 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8ττ、申請專利乾圍 4 0 .如申請專利範圍第3 8項之架構，其中，該光 輸入訊號進入該分佈匯流排之該個別端，且該光回返訊號 與該回返匯流排泵訊號離開該回返匯流排該個別端之相對 -Z.IU 牺。 4 1 ·如申請專利範圍第3 7項之架構，其中，調整 該放大器之個別增益用以補償該光感知器架構內之漏失並 沿該匯流排加以維持接近均一之傳輸》 4 2 .如申請專利範圍第3 7項之架構，其中，至少 一該分佈與回返匯流排泵訊號進入其個別匯流排之一端以 上。 4 3 .如申請專利範圍第3 7項之架構，其中，利用 星型耦合器將多重感知器在該橫梯上作多工處理。 4 4 .如申請專利範圍第3 7項之架構，進一步含許 多延遲源，其位在沿著該匯流排之至少其中之一加以允許 各該光回返訊號之解釋與偵測。 4 5 .如申請專利範圍第？ 7項之架铸，其中，該匯 流排至少其中之一進一步在端含一纖維布拉格光柵加以反 — —. 射任何未使用之功率。 4 6 . —種降低光感知器架構雜訊指數之方法，包含 設置分佈與回返匯流排，泵能量可經由此匯流排加以 傳播，該泵能量提供增益給位在沿著該分佈與回返匯流排 之光放大器； 設置許多橫梯與許多耦合器，該耦合器連接各該橫梯 -----I---装-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（2丨0Χ297公釐） -10- 經濟部中央標隼局員工消费合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 至該分佈與回返匯流排，各該橫梯包含至少一感知器，此 感知器接收一發放至該分佈匯流排內之光輸入訊號之一個 別部分，該感知器產生進入該回返匯流排之個別光回返訊 號；以及 選取該橫梯之數量及各橫梯中；感知器數量，以提供 大槪等於預期總感知器數量之該感知®之總數量，選取橫 梯之該數量與該橫梯中感知器之該數量，以降低該光感知 器架構之雜訊指數。 — 4 7 .如申請專利範圍第4 6項之方法，其中，選取 該橫梯之該數量及該橫梯中該感知器之該數量，用以降低 ，但非降至最小，雜訊指數，使得也降低分佈與回返功率 需求。 4 8 .如申請專利範圍第4 R項之方法，其中，選取 被該分佈匯流排中該耦合器加以耦合入該橫梯之該光輸入 訊號之份數，對某位準之光輸入訊號與分佈與回返訊號降 低該光感知器架構之雜訊指數。 4 9 .如申請專利範圍第4 6項之方法，其中，該橫 梯中之感知器之該數量對每一橫梯而言是相等。 5 0 · —種降低光感知器架構雜訊指數之方法，包含 設置分佈與回返匯流排，泵能量可經由此匯流排加以 傳播，該泵能量提供增益給住在沿著該分佈與回返匯流排 之光放大器； 設置許多橫梯與許多耦合器，該耦合器連接器各該橫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _切_ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -—表. 訂 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 梯至該分佈與回返匯流排，各該橫梯含至少一感知器，此 感知器接收一發放至該分佈匯流排內之光輸入訊號之一個 別部分，該感知器產生進入該回返匯流排之個別光回返訊 i 號；以及 選取被該分佈匯流排中之該耦合器加以耦合器入該橫 梯之該'光輸入訊號之個別份數以及被該回返匯流排中之該 耦合器加以耦合入該回返匯流排之該光回返訊號之個別分 數，對大槪等於預期總感知器數量之該感知器之總數量加 以降該光感知器架構之雜訊指數。 5 1 .如申請專利範圍第5 0項之方法，其中，選取 該橫梯之數量與各橫梯中該感知器之數量，加以降低該光 感知器架構之雜訊指數。 5 2 .如申請專利範圍第5 1項之方法，其中，該橫 梯中感知器之該數量相等。 5 3 .如申請專利範圍第5 1項之方法，其中，選取 該橫梯之該數量，該橫梯中該感知器之該數量，以及該耦 合器分數用以降低雜訊指數，但非降至最小，使得亦降低 分佈與回返泵功率需求。 5 4 .如申請專利範圍第5 1項客方法，其中，該橫 梯之該分佈匯流排耦合份數實質上皆相等。 __ 5 5 .如申請專利範圍第，5 1項之方法，其中，該回 - — * 返匯流排耦合器分數實質上皆相等。 5 6 .如申請專利範圍第5 1項之方法，其中，該選 取步驟含選取一預期位準之輸入光訊號與預期位準之分佈 ----------衣！ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 泵訊號及回返泵訊號之步驟。 5 7 ·-種光感知器架構，含： 一分佈匯流排與一回返匯流排，兩匯流排傳播栗能量 ，該泵能量提供增益給位在沿著該分佈與回返匯流排之光 放大器；以及 _、許多橫梯與許多耦合器，該耦合器連接各該橫梯至該 分佈與回返匯流排，各該橫梯含至少一感知器，此感知器 接收一發放入該分佈匯流排之光輸入訊號之個別部分，該 感知器產生進入該回返匯流排之個別光回返訊號； 該橫梯之數量與各橫梯中感知器之數量，橫梯提供大 槪等於預期總感知器數量之該感知器總數量，選取橫梯之 該數量與該橫梯中感知器之該數量用以降低該光感知器架 構之雜訊指數。 5 8 .如申請專利範圍第5 7項之架構，其中，該橫 梯之該數量與該橫梯中之該感知器之該數量降低，但非降 至最小，雜訊指數，用以降低分佈與回返泵動力需求。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 9 .如申請專利範圍第5 7項之架構，其中，被該 分佈匯流排中之該耦合器加以耦合入該橫梯之該光輸入訊 號之分數，對於某些位準之光輸入訊號及分佈與回返栗訊 號降低該光感知器架構之雜訊指數。 6 0 .如申請專利範圍第5 7項之架構，其中，對於 各橫梯，該橫梯感知器之該數量爲相等。 61.—種光感知器架構，含： 一分、佈匯流排與一回返匯流排，兩匯流排傳播泵能量 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 ’該泵能量提供增益給位在沿著該分佈與回返匯流排之光 放大器；以及 許多橫梯與許多耦合器’該耦合器連接各該橫梯至該 分佈與回返匯流排，各該橫梯含至少一感知器，此感知器 接收一發放入該分佈匯流排之光輸入訊號之個別部分，該 感知器產生進入該回返匯流排之個別光回返訊號； .被該分佈匯流排中之該耦合器加以耦合入該橫梯之該 光輸入訊號之個別分數以及被該回返匯流排中該耦合器加 以耦合入該回返匯流排之該光回返訊號之個別分數，其中 ，選取該個別份數對大槪等於預期總感知器數量之該感知 器之總數量加以降低該光感知器架構之雜訊指數。 6 2 .如申請專利範圍第6 1項之恕構，選取該橫梯 之數量與各橫梯中該感知器之數量用以降低該光感知器架 構之雜訊指數。 6 3 .如申請專利範圍第6 2項之架構，其中’該橫 梯中感知器之該數量相等。. 6 4 .如申請專利範圍第6 2項之架構，該橫梯之該 數量，該橫梯中該感知器之該數量，及該耦合分數降低雜 訊指數，但非降至最低，使得亦降低分佈與回返泵功率需 求。 6 5 .如申請專利範圍第6 2項之架構，其中，該分 佈耦合分數相等。 6 6 .如申請專利範圍第6 2項之架構，其中’該橫 梯之該回返匯流排耦合分數相等。 ---------i衣— (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） -14