TWI442718B - 光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置 - Google Patents

光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置 Download PDF

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光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置
本揭露是有關於一種光通訊系統，特別係有關於一種反射式光網路裝置，用以緩和反射式光網路中之瑞利背向散射噪音(Rayleigh backscattering noise)。
被動光網路(簡稱為PON)通訊系統可以提供可靠且便宜的高速資料接取網路技術。目前應用波長分割多工技術(wavelength division multiplexing，簡稱為WDM)在PON網路中更進一步改進光纖的頻譜利用率，以致於提高PON的傳輸容量。不過，一般WDM網路為點對點的架構，在遠端的用戶設備必須要有精準的雷射光源對準到對應的WDM鏈結。因此，點對點的架構並不能佈建在具有大量遠端用戶(例如：1000個遠端用戶)的光通訊網路系統中。
因此有使用集中式光源(centralized light source，簡稱為CLS)的PON架構被提出來，藉由減少用戶設備的光源裝置來減少整體PON建構成本。簡單來說，可以採用一個迴接(loop-back)網路架構在PON中。在用戶設備的反射式光網路單元(reflective optical network unit，簡稱為RONU)上，利用對波長不敏感(wavelength insensitive或作colorless)的反射式調變器，重複使用(reuse)由局端(CO)所提供的光載波，以將RONU端的上行資料調變到局端提供的光載波上，並回傳用戶設備的資料回到局端。如此，所有用戶皆分享CLS所產生的光載波，因此可大幅減少WDM-PON的建構成本以及營運此WDM-PON的成本。
圖1A為具有迴接網路架構之一光通訊系統10的示意圖。請參照圖1A，此光通訊系統10為一WDM-PON系統，在頭端(Head-end) 100(或作局端)中的多個雷射光源1011、1012、…、101n 分別產生不同波長λ1 、λ2 、...、λn 的多個光源，這些光源經由例如：陣列波導光柵(Array wave guide，簡稱為AWG)的光多工器(optical multiplexer)102整合為光載波OC。光多工器102耦接至一光環行器103，而此光環行器103的第一端接收光載波OC將其傳送至位於其第二端的光纖110，而光環行器103的第三端耦接至頭端100的光解多工器(optical demultiplexer)104。光解多工器104將藉由光纖110與光環行器103傳送回來的上行信號UP_S，傳送給對應的接收器，例如圖1A中的接收器105。
在圖1A中的遠端具有耦接至光纖110的另一光解多工器112(例如利用AWG來實現)，其將載波OC中的載波分開至對應的用戶裝置(例如：用戶裝置122)，而遠端另外建置一RONU 122，其具至少一反射式調變器124，以重複使用光載波OC，並將用戶的上行資料朝上述路徑的反方向傳回至頭端100的接收器105。
然而，光纖的截面積會因生產方式或建置PON的方式而呈現橢圓狀。因此，採用迴接網路架構的WDM-PON易遭受瑞利背向散射效應(簡稱為RB)的干涉噪音，特別是影響上行資料的傳輸效果。簡單來說，光信號或射頻信號在光纖傳輸中，不斷地有光信號的部份能量或射頻信號的部份能量被光纖反射，最後因而產生傳送到位於頭端(或局端)的接收器105的RB噪音。圖1B是類似圖1A的光通訊系統14的示意圖。由圖1B可知，此類RB噪音分為兩大主要類型：由光載波OC產生的載波瑞利背向散射噪音CRB(簡稱為載波噪音CRB)，以及由上行信號UP_S產生的信號瑞利背向散射噪音SRB(簡稱為信號噪音SRB)。載波噪音CRB主要是光載波OC由頭端100傳送至光解多工器112的過程中所產生的；而信號噪音SRB是上行信號UP_S由光解多工器112傳送至頭端100的過程中，所產生的RB干擾信號再一次被RONU 122的反射式調變器124調變後，再傳送到頭端100的接收器105。
圖1C是簡化圖1B中光通訊系統14的示意圖。圖1C主要繪示在圖1B中光載波OC、上行信號UP_S、載波噪音CRB與信號噪音SRB等簡化後的光頻譜分佈狀況。由圖1C可知，最初的光載波OC的光頻譜分佈狀況如子圖164所示，其具有最大的功率；光載波OC朝遠端傳送過程所產生的載波噪音CRB的光頻譜分佈狀況如子圖163所示，其功率遠小於光載波OC；上行信號UP_S的光頻譜分佈狀況如子圖162所示，其中央瓣波(center lobe)的波長與光載波OC近乎重疊，因此會被載波噪音CRB嚴重干擾；上行信號UP_S朝頭端100傳送過程所產生的信號噪音SRB的光頻譜分佈狀況如子圖161所示，其功率遠小於UP_S。另外，子圖170繪示最後在接收器105所接收信號的光頻譜分佈狀況，其中標號172顯示接收器105所具有濾波器的頻寬，而經過濾波後的光信號仍明顯被載波噪音CRB與信號噪音SRB所干擾。
因此，如何在反射式光網路中，同時緩和(mitigate)載波噪音CRB或信號噪音SRB，以改善光信號之傳輸效果是一個重要的課題。
本揭露的一示範實施例提出一種光通訊系統。所述的光通訊系統包括：至少一載波抑制單邊帶(CS-SSB)反射式光網路裝置與至少一接收器。CS-SSB反射式光網路裝置耦接於至少一光纖，用以接收光載波，並藉由馬赫-陳德爾調變方式與基頻信號調變方式，由光載波產生具有基頻信號且由光載波的中央波長偏移預設波長間隔的光信號，並回傳此光信號到光纖以緩和瑞利背向散射噪音，而所述的光信號為CS-SSB光信號。此外，所述的接收器耦接至光纖用以接收此光信號。
本揭露的一示範實施例提出一種緩和瑞利背向散射噪音的方法。所述的方法包括：藉由馬赫-陳德爾調變方式與基頻信號調變方式，由光載波產生具有基頻信號且由此光載波之中央波長偏移預設波長間距的光信號，並輸出此光信號，以緩和瑞利背向散射噪音，而所述的光信號為CS-SSB光信號。
本揭露的一示範實施例提出一種反射式光網路裝置，所述的裝置包括：一光環行器與一載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理模組。光環行器的第一端耦接至光纖，用以接收光載波。CS-SSB處理模組的輸入端耦接至此光環行器的第二端，而CS-SSB處理模組的輸出端耦接至光環行器的第三端，用以藉由馬赫-陳德爾調變方式與基頻信號調變方式，由此光載波產生具有基頻信號且由光載波的中央波長偏移預設波長間隔的光信號，並藉由此光環行器的第三端輸出此光信號至光纖，以緩和瑞利背向散射噪音。所述的光信號為CS-SSB光信號。
為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖2A是根據一示範實施例所繪示一種光通訊系統20的示意圖。光通訊系統20大致上類似於圖1B的光通訊系統系統14，為一WDM-PON系統。但是光通訊系統20中位於遠端(即用戶裝置)的230具有一載波抑制單邊帶(carrier suppressed single sideband，簡稱為CS-SSB)反射式光網路裝置RONU 232，可以有效緩和載波噪音CRB與信號噪音SRB，且有效率地改善整體RB噪音的狀況。因此，光通訊系統20具有相對較佳的系統效能。
請參照圖2A，在光通訊系統20中，頭端設備210包括：光環行器212、光多工器213與集中式雷射光源(或作CLS)214。在光通訊系統20中，接收器105與其耦接的光解多工器104可獨立地建置在頭端設備210之外，並藉由光纖110耦接至光環行器212。本揭露並非限定於上述，在其他示範實施例中，接收器105與光解多工器104也可整合至頭端設備210內。集中式雷射光源214提供多個波長的光源，而光多工器213整合這些光源為光載波OC。在以下各實施例中的光載波OC皆為連續波(CW)光載波。光載波OC先傳送至光環行器212的第一端，再由環行器212的第二端藉由光纖111傳送至光解多工器112。環行器212的第三端耦接至光解多工器104，其第二端由光纖111接收從遠端回傳的上行信號UP_S，並由其第三端傳送此上行信號UP_S至接收器105。
集中式雷射光源214包括多個雷射光源單元，例如分散式回饋雷射二極體(distributed feedback-laser diode，簡稱為DFB-LD)，其所發射的光載波OC的中央波長f0 例如為1548.54奈米(nm)。光纖111例如為標準型單模光纖(standard single mode fiber，簡稱為SMF)。
如同在上述的圖1B與圖1C中已經描述過，一般狀況下，接收器105會接收到兩大類RB噪音：載波噪音CRB與信號噪音SRB。然而，在光通訊系統20中，CS-SSB RONU 232藉由將上行信號UP_S之波長與光載波OC偏移一個預設波長間隔(或預設頻率間隔)，以致於所產生的載波噪音CRB不會與上行信號UP_S重疊，且所產生的信號噪音SRB僅少部份與上行信號UP_S重疊。因為上行信號UP_S的波長也經過偏移，信號噪音SRB最後經過接收器105濾波後的功率很低，所以影響上行信號UP_S的干擾很少。以下將以圖2B來介紹經過CS-SSB RONU 232緩和載波噪音CRB與信號噪音SRB的光頻譜狀況。
圖2B繪示如圖2A中各種信號傳送的方式及其對應之簡化後的光頻譜狀況。在圖2B中省略光多工器與光解多工器。如圖2B所示，在光通訊系統20中，頭端設備210所傳送的光載波OC以及光載波OC所產生之載波噪音CRB的光頻譜狀況，與圖1B中的狀況相同。然而，相對於WDM-PON系統14，CS-SSB RONU 232調整了上行信號UP_S為一CS-SSB光信號，且上行信號UP_S的波長由光載波OC的中央波長位置，往高頻方向偏移了一個預設波長間隔(或預設頻率間隔)。上行信號UP_S所產生的信號噪音SRB，相對於圖1B的所示狀況，也往高頻方向偏移。因為信號噪音SRB偏移程度小於上行信號UP_S，所以最後信號噪音SRB很少重疊於上行信號UP_S的。
本揭露的多個示範實施例的基本原理主要即如上述圖2B所示，將上行信號UP_S調整為CS-SSB光信號，並由光載波OC的中央波長位置偏移一個預設波長間隔(或預設頻率間隔)。如此，可以避免CS-SSB光信號重疊於光載波OC、載波噪音CRB以及信號噪音SRB。以下將以圖3A與圖4來介紹CS-SSB RONU 232的兩個示範實施例。
圖3A是根據一示範實施例所繪示一種載波抑制單邊帶反射式光網路裝置(CS-SSB RONU)30的功能方塊圖。CS-SSB RONU 30為一單晶片整合式裝置(monolithic integrated device)，其包括一載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理模組35與一光環行器250。光環行器250的第一端耦接至光纖220，用以接收從光纖220接收光載波OC。光環行器250的第二端與第三端分別耦接至CS-SSB處理模組35的輸入端與輸出端，用以提供光載波OC至CS-SSB處理模組35的輸入端，並由CS-SSB處理模組35的輸出端接收上行信號UP_S。
CS-SSB處理模組35主要藉由馬赫-陳德爾調變(Mach-Zehnder modulation，簡稱為MZM)方式與基頻信號調變方式，由光載波OC產生一CS-SSB光信號，並將CS-SSB光信號由光載波OC的中央波長偏移一預設波長間隔，以產生上行信號UP_S。上行信號UP_S為具有基頻信號的CS-SSB光載波，並被輸出到光環行器250的第三端，進而藉由光纖220回傳到如圖2A中的接收器105。如此一來，上行信號UP_S可以緩和載波噪音與信號噪音，並減少光通訊系統20中的RB效應。
如圖3A所示，CS-SSB處理模組35包括整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器(dual-parallel Mach-Zehnder modulator，簡稱為DP-MZM)310。此DP-MZM 310進一步包括三個MZM單元312、314、316，而MZM單元312、314分別為DP-MZM 310的第一臂(arm)與第二臂。如圖3A所示，MZM單元312、314、316皆具有上部路徑與下部路徑。MZM單元316的上部路徑與下部路徑則分別耦接至MZM單元312、314的輸出端。
在圖3A中，子圖350繪示光載波OC的波長為f0 ，而子圖360繪示經過DP-MZM 310調變後的光頻譜狀況。光載波OC藉由光纖220進入光環行器250的第一端，並由光環行器250的第二端進入DP-MZM 310。MZM單元312、314的輸入端則同時耦接於光環行器250的第二端，用以接收光載波OC。光環行器250的第三端則耦接至MZM單元316的輸出端，用以接收DP-MZM 310的輸出信號，此即，調變為CS-SSB光信號之上行信號UP_S。
如圖3A所示，CS-SSB處理模組35還包括射頻信號源322、基頻信號源324、射頻信號混波器326(RF signal mixer)、光分歧器(optical splitter)328、T型偏壓器(bias tee)330與T型偏壓器340。在本示範實施例中，可以將射頻信號源322、基頻信號源324、射頻信號混波器326、光分歧器328、T型偏壓器330與T型偏壓器340整合為可視為一偏壓信號產生模組，用以分別將具有直流電壓與交流電壓的一第一偏壓信號與一第二偏壓信號載入到DP-MZM 310的第一臂(MZM單元312)與第二臂(MZM單元314)上。
射頻信號源322耦接於射頻信號混波器326，用以提供一弦波信號(例如頻率為fs =10 GHz)。射頻信號源322例如為一射頻信號合成器(RF signal synthesizer)，且可視為一時脈源(clock source)。射頻信號源322所產生之弦波信號的頻率，會影響上行信號UP_S從光載波OC的中央波長偏移的程度。基頻信號源324耦接於射頻信號混波器326，用以提供用戶上行資料的基頻信號，且此基頻信號可為用戶資料信號經過調變的基頻信號，其資料速率例如為2.5Gb/s。所述的基頻信號調變方式例如為：不歸零調變(Non-return-to-zero，簡稱為NRZ)。
射頻信號混波器326將弦波信號與基頻信號混波，上載(up-convert)基頻信號至弦波信號的頻率fs 。光分歧器328，用以接收射頻信號混波器326輸出的已混波信號，並將此已混波信號分為同相(in-phase)信號與正交(quadrature)信號。功率分歧器328也可用90°相位偏移器(phase shifter)或功率分歧器(power splitter)所替代。光分歧器328分別輸出同相信號與正交信號至T型偏壓器330與T型偏壓器340。
DP-MZM 310的第一臂與第二臂皆被上載至弦波信號頻率fs 的NRZ調變信號與適當的直流電壓所驅動。T型偏壓器330耦接至MZM單元312的偏壓輸入端。T型偏壓器340耦接與MZM單元314的偏壓輸入端。另外，T型偏壓器330的交流輸入端接收同相信號，直流輸入端接收一直流電壓(電壓值為Vπ )，而T型偏壓器330的輸出端提供上載至弦波信號頻率fs 的同相信號(NRZ調變信號)與適當的直流電壓到MZM單元312的偏壓輸入端。相類似地，T型偏壓器340的交流輸入端接收正交信號，直流輸入端接收一直流電壓(電壓值為Vπ )，而T型偏壓器340的輸出端提供上載至弦波信號頻率fs 且與NRZ調變信號相差90°的正交信號與適當的直流電壓到MZM單元314的偏壓輸入端
MZM單元312與MZM單元314的輸出端分別耦接至MZM單元316的上部路徑(第二臂)與下部路徑(第二臂)。MZM單元316將MZM單元312與MZM單元314所輸出的兩個光載波信號整合為一CS-SSB光信號。MZM單元316的偏壓輸入端接收直流偏壓(電壓值為Vπ /2)。藉由調整MZM單元316所接收的直流偏壓值，可達到調整(甚至最佳化)DP-MZM 310輸出端的CSS-SB光信號，此即，上行信號UP_S。然後，上行信號UP_S被輸出到光環行器250的第三端，並由光環行器250的第一端傳送至光纖220，並最後回傳到圖2A所示的接收器105。
圖3B是如圖3A中載波抑制單邊帶反射式光網路裝置35的示意圖。在圖3B中，標示出DP-MZM 310中信號產生的主要部位(a)-(j)，但省略光環行器250。圖3C則繪示圖3B中DP-MZM 310主要部位(a)-(j)的信號頻譜示意圖。在圖3C中的這些信號頻譜為DP-MZM 310中信號產生的的主要部位在實驗中所得到的結果。以下將搭配圖3B與圖3C，利用數學推導方式來進一步解釋CS-SSB RONU 30的詳細運作原理。
在CS-SSB RONU 30的實驗環境中，所使用的調變器為一個頻寬12 GHz的DP-MZM，資料信號的速度為2.5 Gb/s，調變方式為NRZ。實驗過程中，將基頻信號(即用戶上行資料信號)的2.5 Gb/s NRZ信號，經由射頻信號混波器326上載至頻率fs 為10 GHz的弦波信號。接著，將已上載的弦波信號利用光分歧器328分成兩路，並使此兩路的弦波信號之相位差為90°。這兩路弦波信號分別輸入至2個T型偏壓器330、340的交流輸入端，T型偏壓器330、340的直流輸入端則分別給予Vπ 的直流電壓，並將T型偏壓器330、340的輸出端各別載入到MZM單元312、314的輸入端。在以下數學推導中，MZM1 、MZM2 、MZM3 分別代表MZM單元312、314、316，而在MZM3 的輸入端則給予Vπ /2的直流電壓。至此，MZM3 的輸出信號即為調變為CS-SSB光信號的上行信號UPS。其產生過程亦可藉由數學推導來進一步說明。
在數學推導之前，首先介紹四個數學式(3.1)、(3.2)、(3.3)、(3.4)如下所示。
首先，MZM1 部分，假設進入DP-MZM的電場可表示為以下數學式(3.5)。
進入DP-MZM的電場會分成上路徑(第一臂)與下路徑(第二臂)，故電場可表示為以下數學式(3.6)。
而MZM1 上路徑的電場在經過MZM單元312調變後可表示為以下數學式(3.7)。
其中，相位差Δψ表示為以下數學式(3.8)，m 為調變深度(modulation depth)。
ΔΦ (t )=mcos (ω RF t )　(3.8)
將數學式(3.8)帶入數學式(3.7)可得到以下數學式(3.9)。
再將數學式(3.1)、(3.2)帶入數學式(3.9)中，可得到以下數學式(3.10)。
當貝索函數(Bessel function)的階數高於4階時，貝索函數高階的數值相對於低階(≦3)部份可視為足夠小並可以忽略，因此數學式(3.10)可簡化成以下數學式(3.11)。上述四個數學式(3.1)、(3.2)、(3.3)、(3.4)即為貝索函數。
至此，MZM1 的上路徑的頻譜示意圖如圖3C之子圖(a)所示。
而MZM1 下路徑的調變電場之方向和MZM1 的上路徑相反，所以Δψ將表示為以下數學式(3.12)。
ΔΦ (t )=-mcos (ω RF t )　(3.12)
經過MZM單元312調變後的電場可表示為以下數學式(3.13)。
若同樣忽略大於4階的貝索函數，則數學式(3.13)可化簡如以下數學式(3.14)。
MZM1 下路徑的電場經過MZM單元312調變後的頻譜示意圖如圖3C之子圖(b)所示。因為在MZM1 有給予Vπ 的直流電壓，因此MZM1 下路徑之電場的相位要再偏移π，如圖3C之子圖(c)所示。MZM1 的輸出頻譜示意圖即為圖3C之子圖(a)、圖3C之子圖(c)相疊加而成，如圖3C之子圖(d)所示。
同樣的，MZM2 部分，因為此部分信號的相位被偏移了90°，在MZM2 上路徑的Δψ將表示為以下數學式(3.15)。
MZM2 上路徑經過MZM單元312調變後的電場可表示為：
將數學式(3.3)、(3.4)代入數學式(3.16)，可得到以下數學式(3.17)：
若同樣忽略大於4階的貝索函數，則數學式(3.17)可化簡成以下數學式(3.18)。
MZM2 上路徑經過MZM單元312調變後之電場的頻譜示意圖如圖3C之子圖(e)。
在MZM2 下路徑的部份，這部份信號的相位除了偏移了90°之外，MZM2 下路徑所受到的調變電場方向和MZM2 上路徑恰好相反，Δψ可表成以下數學式(3.19)。
因此，MZM2 下路經過MZM單元312調變後的電場可表示為以下數學式(3.20)。
相類似地，若忽略大於4階的貝索函數，則數學式(3.20)可化簡成以下數學式(3.21)。
MZM2 下路經過MZM單元312調變後之電場的頻譜示意圖如圖3C之子圖(f)。同樣的，我們在MZM2 也給予Vπ 的直流電壓，所以相位也要再位移π(radians)，頻譜示意圖如圖3C之子圖(g)。將子圖(e)和子圖(g)的結果相疊加即為MZM2 的輸出頻譜示意圖，如圖3C之子圖(h)。
最後，MZM1 和MZM2 的輸出電場會經由MZM3 做最後的調變。在MZM3 上有外加Vπ /2的直流電壓，所以在MZM2 的輸出端其相位要再偏移π/2(radians)，如圖3C之子圖(i)。最後，經由DP-MZM 310調變後的CS-SSB光信號即由子圖(d)和子圖(i)相疊加而成，如圖3C之子圖(j)。
雖然本揭露所提供之CS-SSB RONU 30的實施例是用以緩和在光通訊系統20的上行信號之瑞利背向散射噪音，本揭露並非限定於上述。所屬技術領域中具有通常知識者，應當能應用本揭露中CS-SSB RONU 30的運作原理在光通訊系統20之頭端的反射式光網路裝置上，用以緩和下行信號之瑞利背向散射噪音。
圖3D是如圖3B中載波抑制單邊帶反射式光網路裝置經過實驗量測的頻譜示意圖。圖3D繪示在實驗中實際量測得到的頻譜示意圖(示波器的解析度為0.01 nm)。圖3的曲線370是CLS雷射光源的信號(此即光載波OC)，而曲線372是CS-SSB-NRZ信號。從圖3D可知，CS-SSB光信號的信號強度比CLS雷射光源信號的信號強度大上18分貝(dB)。另外，由實驗結果得知，CS-SSB光信號的信號強度也比載波抑制雙邊帶不歸零調變(carrier-suppressed double-sideband non-return-zero，簡稱為CS-DSB-NRZ)信號(未繪示)的信號強度大上3 dB。
圖4是根據另一示範實施例所繪示另一種載波抑制單邊帶反射式光網路裝置(CS-SSB RONU)40的功能方塊圖。圖4繪示簡化後的光載波OC的頻譜狀況如子圖350，以及CS-SSB RONU 40最後產生之CS-SSB光信號的頻譜狀況如子圖360。如圖4所示，CS-SSB RONU 40包括一載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理模組45與一光環行器250。光環行器250的第一端耦接至光纖220，用以接收從光纖220接收光載波OC。光環行器250的第二端與第三端分別耦接至CS-SSB處理模組45的輸入端與輸出端，用以提供光載波OC至CS-SSB處理模組45的輸入端，並由CS-SSB處理模組45的輸出端接收上行信號UP_S。
CS-SSB處理模組45主要藉由馬赫-陳德爾調變(MZM)方式與基頻信號調變方式，由光載波OC產生一CS-SSB光信號，並將CS-SSB光信號由光載波OC的中央波長偏移一預設波長間隔，以產生上行信號UP_S。上行信號UP_S為具有基頻信號的CS-SSB光載波，藉由光纖220回傳到如圖2A的接收器105。如此一來，上行信號UP_S可以緩和載波噪音與信號噪音，並減少光通訊系統20中的RB效應。
CS-SSB處理模組45包括獨立的裝置例如：雙臂馬赫-陳德爾調變器(dual-arm，簡稱為DA-MZM)430與調變器450，以實現重複光載波OC來產生CS-SSB光信號。相較於圖3A所示的CS-SSB RONU 30，CS-SSB處理模組45不包括射頻信號混波器，且組成構件相對簡單，也可以靈活地在調變器450採用較多的調變方式。
DA-MZM 430具有第一臂(上部路徑)與第二臂(下部路徑)，分別耦接於射頻信號源422與光分歧器428，但同時耦接於光環行器250。經由光纖傳輸的光載波OC進入光環行器250的第一端，並由光環行器250的第二端同時進入DA-MZM 430的第一臂與第二臂。光環行器250的第三端耦接於調變器450的輸出端，即接收調變為CS-SSB光信號。射頻信號源422提供弦波信號給光分歧器428的輸入端，以及載入弦波信號到DA-MZM 430的第一臂，而弦波信號的頻率fs 例如為10 GHz。光分歧器428將弦波信號的相位偏移90°，並輸出正交弦波信號以載入到DA-MZM 430的第二臂。DA-MZM 430藉由上述同相弦波信號與正交弦波信號分別載入到第一臂與第二臂，由光載波OC產生CS-SSB波長偏移的CS-SSB光信號。所述的CS-SSB光信號由光載波OC的中央波長偏移一預設波長間隔(預設頻率間隔)。弦波信號頻率fs 決定CS-SSB的波長由光載波OC的中央波長所偏移的波長間隔。
調變器450耦接於基頻信號源424，而調變器450的輸入端耦接於DA-MZM 430的輸出端。基頻信號源424，用以提供用戶上行資料的基頻信號，且此基頻信號可為用戶資料信號經過基頻信號調變的基頻信號，其資料速率例如為2.5Gb/s。所述的基頻信號調變方式例如為：開閉移鍵調變方式(on-off-keying，簡稱為OOK)、差分相位移鍵調變方式(differential-phase shift keying，簡稱DPSK)或正交頻分多工調變(orthogonal frequency division multiplexing，簡稱OFDM)。在本示範實施例中，可以整合調變器450與基頻信號源424為一基頻調變器(未繪示)，用以利用基頻信號調變方式將基頻信號調變到CS-SSB光信號，以產生上行信號UP_S。此即，調變器450用以將已調變的基頻信號，進一步調變至CS-SSB光信號，並輸出調變後的CS-SSB光信號為上行信號UP_S。
雖然本揭露所提供之CS-SSB RONU 40的實施例是用以緩和在光通訊系統20的上行信號之瑞利背向散射噪音，本揭露並非限定於上述。所屬技術領域中具有通常知識者，應當能應用本揭露中CS-SSB RONU 40的運作原理在光通訊系統20之頭端的反射式光網路裝置上，用以緩和下行信號之瑞利背向散射噪音。
圖5A繪示由實驗量測僅經過不歸零調變(NRZ)上行信號的位元錯誤率效能的對照示意圖。圖5B繪示由實驗量測有經過載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理之上行信號的位元錯誤率效能的示意圖。在圖5A與圖5B的實驗中，實驗環境皆為長距離(long reach)的被動光網路，所使用的光纖長度例如為100公里。在圖5A中，子圖510、512、514繪示分別在0分路、64個分路與512個的分路之上行信號狀況的眼圖(eye diagram)。另外，圖5A還分別顯示0分路與64個分路的位元錯誤率效能曲線。圖5A的橫座標為接收功率(單位為dBm)，縱座標為位元錯誤率的對數值。隨著接收器所量側的接收功率增加，可以觀察到位元錯誤率逐步降低。然而僅經過NRZ調變的上行信號之512個分路的位元錯誤率卻無法被量測到。僅經過NRZ調變的上行信號在64個分路的狀況時，僅達到位元錯誤率10-7 的效能。然而，一般光通訊網路在64個分路的狀況時，必須要達到位元錯誤率10-9 的效能。
在圖5B中的子圖520、522、524分別繪示0分路、64個分路與512個的分路之上行信號狀況的眼圖。由於有調變為CS-SSB光信號，在接收器所接收的上行信號之眼圖明顯比圖5A的對應眼圖清晰。而且，調變為CS-SSB光信號的上行信號之512個分路的位元錯誤率也可被量測到。具體說明，在512個分路狀況時，調變為CS-SSB光信號的上行信號相較於0分路的狀況有大約5 dB的功率損失，但是仍達到位元錯誤率10-9 的效能。由圖5B的實驗結果可知，在本揭露中所提出的載波抑制單邊帶反射式光網路裝置，大幅度地提升波長分割多工被動光網路通訊系統的系統效能。
圖6A繪示由模擬所得到未經過載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理之上行信號的調變信號分佈圖(constellation diagram)。圖6B繪示由模擬所得到有經過載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理之上行信號的調變信號分佈圖。在圖6A與圖6B的模擬環境中，訊號噪音比(SNR)設定為15 dB，所使用的調變為具有16點可能位置之正交振幅調變(簡稱為16-QAM)，資料信號傳輸速率為4 Gb/s。由圖6A可知，未經過CS-SSB處理之上行信號的調變信號，非常凌亂且很難由分佈的調變信號解調變為基頻信號。相反地，由圖6B可知，經過CS-SSB處理之上行信號的調變信號分佈非常清晰，因此在接收器可輕易地解調變上行信號為基頻信號，並成功地還原用戶的上行資料。由圖6的模擬結果可知，在本揭露中所提出的載波抑制單邊帶反射式光網路裝置，大幅度地提升波長分割多工被動光網路通訊系統的系統效能。
綜上所述，本揭露的示範實施例提供一種光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置。反射式光網路裝置主要利用整合式馬赫-陳德爾調變器，或結合馬赫-陳德爾調變器與調變器，由局端提供的光載波來產生載波抑制單邊帶光信號。所輸出的上行信號與輸入的光載波偏移一預設波長間距，因此能緩和載波噪音與信號噪音，且有效率地改善光通訊系統的系統效能。要注意的是，本揭露之數種實施例提供一種光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置，用以緩和上行信號之瑞利背向散射噪音，而所屬技術領域中具有通常知識者當能應用本揭露之光通訊系統及其方法與其反射式光網路裝置，用以緩和下行信號之瑞利背向散射噪音。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、14、20．．．光通訊系統
30．．．載波抑制單邊帶反射式光網路裝置
100、210．．．頭端設備
1011、1012、…、101n ．．．雷射光源
102、213．．．光多工器
103、212、250．．．光環行器
104、112．．．光解多工器
105．．．接收器
110、111、220、320．．．光纖
122、230．．．用戶裝置
124．．．反射式調變器
161、162、163、164、170、261、262、270、350、360、510、512、514、520、522、524．．．子圖
172、272．．．濾波器的頻寬
214．．．集中式雷射光源
370、372．．．曲線
232．．．載波抑制單邊帶反射式光網路裝置
310．．．整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器
312、314、316、430．．．馬赫-陳德爾調變器
322、422．．．射頻信號源
324、424．．．基頻信號源
326．．．射頻信號混波器
328、428．．．光分歧器
330、340．．．T型偏壓器
35、45．．．載波抑制單邊帶處理模組
450．．．雙臂馬赫-陳德爾調變器
(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)．．．整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器中信號產生的主要部位
CRB．．．載波噪音
OC．．．光載波
UP_S．．．上行信號
SRB．．．信號噪音
圖1A為具有迴接網路架構之光通訊系統的示意圖。
圖1B是類似圖1A的光通訊系統的示意圖。
圖1C是簡化圖1B中光通訊系統的示意圖。
圖2A是根據一示範實施例所繪示一種光通訊系統的示意圖。
圖2B繪示如圖2A中各種信號傳送的方式及其對應之簡化後的光頻譜狀況。
圖3A是根據一示範實施例所繪示一種載波抑制單邊帶反射式光網路裝置的功能方塊圖。
圖3B是如圖3A中載波抑制單邊帶反射式光網路裝置的示意圖。
圖3C繪示圖3B中整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器中信號產生的主要部位的信號頻譜示意圖。
圖3D是如圖3B中載波抑制單邊帶反射式光網路裝置經過實驗量測的頻譜示意圖。
圖4是根據另一示範實施例所繪示另一種載波抑制單邊帶反射式光網路裝置的功能方塊圖。
圖5A繪示由實驗量測僅經過不歸零調變上行信號的位元錯誤率效能的對照示意圖。
圖5B繪示由實驗量測有經過載波抑制單邊帶處理之上行信號的位元錯誤率效能的示意圖。
圖6A繪示由模擬所得到未經過載波抑制單邊帶處理之上行信號的調變信號分佈圖。
圖6B繪示由模擬所得到有經過載波抑制單邊帶處理之上行信號的調變信號分佈圖。
20．．．光通訊系統
104、112．．．光解多工器
105．．．接收器
110、111、220．．．光纖
210．．．頭端設備
212．．．光環行器
213．．．光多工器
214．．．集中式雷射光源
230．．．用戶裝置
232．．．載波抑制單邊帶反射式光網路裝置

Claims (27)

  1. 一種光通訊系統，包括：至少一載波抑制單邊帶(CS-SSB)反射式光網路裝置，耦接於至少一光纖，用以接收一光載波，並藉由一馬赫-陳德爾調變方式與一基頻信號調變方式，由該光載波產生具有一基頻信號且由該光載波的一中央波長偏移一預設波長間隔的一光信號，並回傳該光信號到該至少一光纖，以緩和瑞利背向散射噪音，其中該光信號為一CS-SSB光信號；以及至少一接收器，耦接至該至少一光纖，用以接收該光信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊系統，其中該CS-SSB反射式光網路裝置更包括：一光環行器，其第一端耦接至該至少一光纖，用以接收該光載波，並提供該光信號至該至少一光纖；以及一載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理模組，其輸入端耦接至該光環行器的一第二端，而其輸出端耦接至該光環行器的一第三端，用以藉由該馬赫-陳德爾調變方式與該基頻信號調變方式，由該光載波產生該光信號，並輸出該光信號至該光環行器的該第三端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光通訊系統，其中，該CS-SSB處理模組包括：一雙臂馬赫-陳德爾調變器，其輸入端耦接至該光環行器的該第二端，用以由該光載波產生該CS-SSB光信號；以及一基頻調變器，耦接至該馬赫-陳德爾調變器的一輸出端，用以利用該基頻信號調變方式，將該基頻信號調變到該CS-SSB光信號，以產生該光信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光通訊系統，其中，該基頻信號調變方式包括：開閉移鍵調變方式(OOK)、差分相位移鍵調變方式(DPSK)、正交頻分多工調變方式(OFDM)與正交振幅調變方式(QAM)。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的光通訊系統，其中，該載波抑制單邊帶處理模組為一單晶片整合式裝置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光通訊系統，其中，該CS-SSB處理模組包括：一整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器(DP-MZM)，其輸入端耦接至該光環行器的該第二端，用以由該光載波產生具有該基頻信號的該載波抑制單邊帶光信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光通訊系統，其中，該CS-SSB處理模組更包括：一偏壓信號產生模組，用以提供一第一偏壓信號載入到該DP-MZM之一第一臂的一第一馬赫-陳德爾調變器，並且提供一第二偏壓信號載入到該DP-MZM之一第二臂的一第二馬赫-陳德爾調變器；以及一第三馬赫-陳德爾調變器，其第一臂耦接至該第一馬赫-陳德爾調變器，其第二臂該第二馬赫-陳德爾調變器的輸出端，用以整合該第一馬赫-陳德爾調變器與該第二馬赫-陳德爾調變器所輸出的至少一光信號為該CS-SSB光信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊系統，其中，該第一偏壓信號包括一第一交流電壓與一第一直流電壓，其中該第一交流電壓被載入到該第一馬赫-陳德爾調變器時，導致該第一馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位被偏移180°；以及該第二偏壓信號包括一第二交流電壓與一第二直流電壓，其中該第二交流電壓正交於該第一交流電壓，而該第二交流電壓被載入到該第二馬赫-陳德爾調變器時，導致該第二馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位被偏移180°。
  9. 一種在波長分割多工被動光網路中緩和瑞利背向散射噪音的方法，包括：藉由一馬赫-陳德爾調變方式與一基頻信號調變方式，由一光載波產生具有一基頻信號且由該光載波之一中央波長偏移一預設波長間距的一光信號，並輸出該光信號，以緩和瑞利背向散射噪音，其中該光信號為一載波抑制單邊帶(CS-SSB)光信號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的方法更包括：利用一雙臂馬赫-陳德爾調變器(DA-MZM)，由該光載波產生該CS-SSB光信號；以及利用該基頻信號調變方式，將該基頻信號調變到該CS-SSB光信號，以產生該光信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法更包括：提供一弦波信號至該DA-MZM的一第一臂；以及 提供正交於該弦波信號的一正交弦波信號至該DA-MZM的一第二臂。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該基頻信號調變方式包括：開閉移鍵調變方式(OOK)、差分相位移鍵調變方式(DPSK)、正交頻分多工調變方式(OFDM)與正交振幅調變方式(QAM)。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的方法更包括：利用一整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器(DP-MZM)，由該光載波產生具有該基頻信號的該CS-SSB光信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法更包括：提供一第一偏壓信號載入到該DP-MZM之一第一臂的一第一馬赫-陳德爾調變器，並且提供一第二偏壓信號載入到該DP-MZM之一第二臂的一第二馬赫-陳德爾調變器；以及利用耦接至該第一馬赫-陳德爾調變器與該第二馬赫-陳德爾調變器的一第三馬赫-陳德爾調變器，整合該第一馬赫-陳德爾調變器與該第二馬赫-陳德爾調變器所輸出的至少一光信號為該CS-SSB光信號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的方法更包括：藉由該基頻信號調變方式，由一資料信號產生一基頻信號；將該基頻信號上載至一弦波信號，以產生一第一交流信號；提供該第一交流信號至一第一T型偏壓器，提供一第一直流電壓至該第一T型偏壓器，並利用該第一直流電壓與該第一交流電壓產生一第一偏壓信號；以及提供正交於該第一交流信號的一第二交流信號至一第二T型偏壓器，提供一第二直流電壓至該第二T型偏壓器，並利用該第二直流電壓與該第二交流電壓產生一第二偏壓信號。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法更包括：載入該第一偏壓信號到該第一馬赫-陳德爾調變器，以將該第一馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位偏移180°；以及載入該第二偏壓信號到該第二馬赫-陳德爾調變器，以將該第二馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位偏移180°。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的裝置，其中，該調變方式為不歸零調變(NRZ)方式。
  18. 一種反射式光網路裝置，該裝置包括：一光環行器，其第一端耦接至一光纖，用以接收一光載波；以及一載波抑制單邊帶(CS-SSB)處理模組，其輸入端耦接至該光環行器的一第二端，而其輸出端耦接至該光環行器的一第三端，用以藉由一馬赫-陳德爾調變方式與一基頻信號調變方式，由該光載波產生具有一基頻信號且由光載波的中央波長偏移一預設波長間隔的一光信號，並藉由該光環行器的該第三端輸出該光信號至該光纖，以緩和瑞利背向散射噪音，其中該光信號為一CS-SSB光信號。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的裝置，其中，該CS-SSB處理模組包括：一雙臂馬赫-陳德爾調變器(DA-MZM)，其輸入端耦接至該光環行器的該第二端，用以由該光載波產生該CS-SSB光信號；以及一基頻調變器，耦接至該馬赫-陳德爾調變器的一輸出端，用以利用該基頻調變方式，將該基頻信號調變到該CS-SSB光信號，以產生該光信號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的裝置，其中，該CS-SSB處理模組更包括：一射頻信號源，具有一第一輸出端耦接至該DA-MZM的一第一臂，用以輸出一弦波信號至該第一臂；以及一光分歧器，耦接至該射頻信號源的一第二輸出端，並具有一輸出端耦接至該DA-MZM的一第二臂，用以接收該弦波信號，並輸出正交於該弦波信號的一正交弦波信號至該第二臂。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的裝置，其中，該基頻信號調變方式包括：開閉移鍵調變方式(OOK)、差分相位移鍵調變方式(DPSK)、正交頻分多工調變方式(OFDM)與正交振幅調變方式(QAM)。
  22. 如申請專利範圍第18項所述的裝置，其中該載波抑制單邊帶處理模組為一單晶片整合式裝置。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的裝置，其中，該CS-SSB處理模組包括：一整合式雙平行馬赫-陳德爾調變器(DP-MZM)，其輸入端耦接至該光環行器的該第二端，用以由該光載波產生具有該基頻信號的該CS-SSB光信號。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的裝置，其中，該CS-SSB處理模組更包括：一偏壓信號產生模組，用以提供一第一偏壓信號載入到該DP-MZM之一第一臂的一第一馬赫-陳德爾調變器，並且提供一第二偏壓信號載入到該DP-MZM之一第二臂的一第二馬赫-陳德爾調變器；以及一第三馬赫-陳德爾調變器，其第一臂耦接至該第一馬赫-陳德爾調變器，其第二臂耦接至該第二馬赫-陳德爾調變器的輸出端，用以整合該第一馬赫-陳德爾調變器與該第二馬赫-陳德爾調變器所輸出的至少一光信號為該CS-SSB光信號。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的裝置，其中，該偏壓信號產生模組包括：一基頻信號源，用以由一資料信號經過該基頻信號調變的一基頻信號；一射頻信號源，用以提供一弦波信號；一射頻信號混波器，耦接至該基頻信號源與該射頻信號源，用以將該基頻信號上載至該弦波信號，以產生一第一交流信號；一光分歧器，其輸入端耦接至該射頻信號混波器，並提供該第一交流信號於其第一輸出端，以及提供正交於該第一交流信號的一第二交流信號於其第二輸出端；一第一T型偏壓器，其第一輸入端接收一第一直流電壓，而其第二輸入端耦接於該光分歧器的該第一輸出端，用以利用該第一直流電壓與該第一交流電壓產生一第一偏壓信號，並將該第一偏壓信號載入到該第一馬赫-陳德爾調變器；以及一第二T型偏壓器，其第一輸入端接收一第二直流電壓，而其第二輸入端耦接於該光分歧器的該第二輸出端，用以利用該第二直流電壓與該第二交流電壓產生一第二偏壓信號，並將該第二偏壓信號載入到該第二馬赫-陳德爾調變器。
  26. 如申請專利範圍第24項所述的裝置，其中，該第一偏壓信號被載入到該第一馬赫-陳德爾調變器時，該第一馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位被偏移180°；以及該第二偏壓信號被載入到該第二馬赫-陳德爾調變器時，該第二馬赫-陳德爾調變器之一路徑之電場相位被偏移180°。
  27. 如申請專利範圍第23項所述的裝置，其中，該基頻信號調變為一不歸零調變(NRZ)方式。
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