TWI454767B - A method of adjusting the phase of the wireless signal and a wireless signal phase modulator - Google Patents

Description

調整無線信號相位的方法及無線信號相位調變器

本發明是有關於一種利用光纖的調整信號相位的方法及信號調變器，特別是指一種調整無線信號相位的方法及無線信號相位調變器。

一般的光纖通訊系統是將搭載信息的電信號經由電光轉換器先轉換成的特定的光信號，並將此光信號輸入光纖的其中一端，利用光纖可連續的反射及幾乎不散失光能的特性，而將光訊號傳送至所欲輸送的目的地，最後，再自光纖相反於輸入光信號的另一端輸出光信號，再將光信號利用電光轉換器轉變成原來搭載信息的電信號，完成有線的信息傳送方式。由於光纖傳送光能的速度快且光能不易散失，所以光纖網絡傳送信息的效率高且確實。

但由於光纖通訊系統是以光纖為介質傳送訊號，因此接受訊號的範圍還是侷限在光纖的輸出端並需將光纖的輸出端連接至信息收接器，才可接收利用光纖傳送與接收的信息，故欲取出信息的使用者也須限位於光纖的輸出端，而不能自由移動。此外，即便目前可利用光纖傳送信息，也僅限於將所輸入的信息以原始而原封不動的方式自該光纖的輸出端輸出，而無法作任何運算及調整。

因此，本發明之目的，即在提供一種以調變輸入光信號相位而調整所接收光信號的調整無線信號相位的方法。

於是，本發明調整無線信號相位的方法，包含一步驟(a)，及一步驟(b)。

該步驟(a)是輸入一輸入光信號及一控制信號至一依據輸入光信號產生具有相位差之輸出光信號的雙光產生單元，令該雙光產生單元根據該控制信號將該輸入光信號產生一第一光信號，及一與該第一光信號具有具相位差的第二光信號。

該步驟(b)是令該第一、二光信號進入一第二階布拉格光纖光柵而在干涉後輸出一包括複數形式之輸出光信號的輸出光信號組，及輻射出一輻射輸出光信號。此外，本發明之另一目的，即在提供一種以調變輸入光信號相位而調整所接收光信號的無線信號相位調變器。

於是，本發明無線信號相位調變器，包含一雙光產生單元，及一第二階布拉格光纖光柵。

該雙光產生單元受一輸入光信號，及一控制信號，並使該光輸入信號根據該控制信號產生一第一光信號，及一和該第一光信號具相位差的第二光信號。

該第二階布拉格光纖光柵接收該第一、二光信號並使該第一、二光信號相干涉後輸出一包括複數形式之輸出光信號的輸出光信號組，及輻射一輻射輸出光信號。

本發明之功效：藉由調整第一、二光信號的相位差，並使其於該第二階布拉格光纖光柵中產生作用，進而調變所輸出的輻射輸出光信號。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明調整無線信號相位的方法之較佳實施例包含一步驟11，及一步驟12，可傳送一轉換自搭載信息的光信號，並藉由調整該光信號的相位而調變以無線方式直接取出在光纖中所傳送信號的強弱值。

參閱圖2，在實施本發明調整無線信號相位的方法之較佳實施例時，首先須設置一雙光產生單元2，該雙光產生單元2包含一光分離器21、一光相位調整器22，及二光循環器23。

該光分離器21具有一供光信號輸入的輸入端211，及二輸出端212。光信號自該光分離器21的輸入端211輸入後，光信號的功率等分為二等分，再分別自該二光分離器21的輸出端212輸出，而成為二個波長、頻率相等的光信號。在本較佳實施例中所使用的光分離器21是-3dB耦合器，但不以-3dB耦合器為限。

該光相位調整器22主要以壓電材料所構成，藉由調變作為一控制信號的直流電壓或交流頻率，而可供所輸出的光信號與所輸入的光信號間形成對應該控制信號的相位差。該光相位調整器22與該光分離器21的其中一輸出端212相鄰，並具有一設置於自該光分離器21所輸出之光信號的光路徑上並以光纖作為連接的輸入端221，及一供光信號輸出的輸出端222。光信號自該光相位調整器22的輸入端221輸入，並與該控制信號的作用，而在該光相位調整器22的輸出端222輸出與所輸入的光信號間存在預定相位差的光信號。

該二光循環器23分別具有一第一端231、一第二端232，及一第三端233，自該第一端231所輸入非極化的光信號經過極化分光後，成為垂直偏振與水平偏振的二偏振光，二偏振光再經過法拉弟旋轉後，原垂直偏振光轉化為水平偏振光，原水平偏振光轉化為垂直偏振光，再合併並自該第二端232輸出；而若光信號先自該第二端232輸入，則不會經由法拉弟旋轉，是直接極化分光後再合併輸出，故不會自該第一端231輸出，而是自該第三端233輸出。因此，自該光循環器23的第一端231輸入的光只能自該光循環器23的第二端232輸出；而自該光循環器23的第二端232輸入的光只能自該光循環器23的第三端233輸出。

該二光循環器23的其中之一與該光相位調整器22相鄰，且以該第一端231設置於該光相位調整器22的輸出端222的光路徑上，並以光纖而與該光相位調整器22的輸出端222連接。而另一光循環器23的第一端231設置於該光分離器21中未與於該光相位調整器22相鄰的另一輸出端212的光路徑上並以光纖連接。

其次，準備一第二階布拉格光纖光柵3，該第二階布拉格光纖光柵3具有一設置於該二光循環器23的其中之一的第二端232並以光纖連接的第一端31，及一設置於其中之另一光循環器23的第二端232並以光纖連接的第二端32。該第二階布拉格光纖光柵3所具備的特性是當分別自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32所輸入的兩同調但具相位差的光波的共振波長滿足二階布拉格條件：Λ=2π/β(Λ為光柵週期，β是傳播長數)時，具有此特定波長的兩光波藉由其中所設置的交錯且具有相異折射率的材料，進而形成除了會因共振耦合而反射(reflect)的耦合能量與繼續傳送(transmit)的傳送能量外，還會輻射(radiate)產生垂直於該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32的假想連線(即該第二階布拉格光纖光柵3的折射率改變方向)的方向的輻射光信號，特別地，還根據分別自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31及第二端32所輸入的兩光波的相位差決定自第一端31輸出的光功率(即自第一端31所輸入的光的反射功率與自第二端32所輸入的光的傳送功率的總合)及自第二端32輸出的光功率(即自第二端32所輸入的光的反射功率與自第一端31所輸入的光的傳送功率的總合)，且所輸出的光功率供該二光循環器23的第二端232所接收，再分別轉向後自該二光循環器23的第三端233輸出。

而光在該第二階布拉格光纖光柵3作用及該等光循環器23轉向後，再利用光功率器41接收並量測經耦合所產生的光功率。因此，二光功率器41分別設置於該二光循環器23的第三端233的光路徑上，且利用光纖連接該二光循環器23的第三端233以接收來自該第二階布拉格光纖光柵3的第一、二端31、32的光信號；此外，還有一鄰近該第二階布拉格光纖光柵3，並可接收及量測輻射光信號的光感測器42。在該本較佳實施例中，該光感測器42所使用的是可攜型光功率器，優點是收光孔徑大，但不以可攜型光功率器為限。

參閱圖1與圖2，相關裝置設置妥當後即為一無線信號相位調變器，而可實施本發明的較佳實施例，並利用輻射方式釋出的輻射輸出光信號是具有週期起伏的光波，再經由例如傅立葉轉換成基波而分離出所搭載的信號，而可應用於信息傳送與信息取出，及信息強弱的調整。

首先，進行一步驟11，自該光分離器21的輸入端211輸入一由搭載信息的電信號轉換得到的輸入光信號，並自該光分離器21的二個輸出端212分別輸出二個將該輸入光信號的功率等分且波長與頻率皆不變的光信號；其中一光信號自該光相位調整器22的輸入端221輸入，再藉由調控該光相位調整器22的直流電壓所得的控制信號，而形成與原光信號相較下已相位移的光信號作為一第一光信號；換句話說，經由該光相位調整器22作用而已相位移的第一光信號與自該光分離器21輸出的另一光信號間具有預定相位差。已相位移的第一光信號自與鄰近該光相位調整器22的光循環器23的第一端231輸入，並自該光循環器23的第二端232輸出；而自該光分離器21的另一輸出端212輸出並維持原相位的光信號為一第二光信號，該第二光信號自其中之另一光循環器23的第一端231輸入，並自該光循環器23的第二端232輸出。

接著即是進行一步驟12，將該二光循環器23的第二端232所輸出的第一、二光信號再分別自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32輸入，兩同調但具預定相位差的光信號在該第二階布拉格光纖光柵3內部產生干涉：自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31輸入的第一光信號在經干涉作用後產生朝向該第二端32的傳送能量，及朝向第一端31的反射能量，自該第二階布拉格光纖光柵3的第二端32輸入的第二光信號在經干涉作用後產生朝向該第一端31的傳送能量，及朝向第二端32的反射能量。

因此，自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31所輸出為一合成來自第一端31輸入的光信號的反射能量與來自第二端32輸入的光信號的傳送能量的第一輸出光信號，該第二階布拉格光纖光柵3的第二端32輸出的為一來自第二端32輸入的光信號的反射能量與來自第一端31輸入的光信號的傳送能量合成的第二輸出光信號，該第一輸出光信號與該第二輸出光信號構成一輸出光信號組。且最主要地，該二具預定相位差的兩光波在經干涉作用後還產生一輻射輸出光信號，且該輻射輸出光信號自垂直該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32之假想連線(圖未示出)的方向輻射釋出。除此之外，還可根據第一光信號與第二光信號間調整所得的相位差，而對應地調變輻射輸出光信號的值；例如，當控制該光相位調整器22的電壓，而改變該第一光信號成週期性變化時，該輻射輸出光信號也隨之成週期性的變化而有週期性的相對最大值與相對最小值。

該第一輸出光信號自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31輸出後進入該光循環器23的其中之一的第二端232，並轉向而自該光循環器23的第三端233輸出，該第二輸出光信號自該第二階布拉格光纖光柵3的第二端32輸出後進入該光循環器23的其中之另一的第二端232，並轉向而自該光循環器23的第三端233輸出。該二光功率器41分別於該二光循環器23的第三端233接收該輸出光信號組，並量測光功率，而該光感測器42則以無線的方式接受並量測經由調整該第一、二光信號的相位差所形成輻射輸出光信號的數值變化。

由上述該較佳實施例的說明瞭解，利用本發明調整無線信號相位的方法不用如目前需將光功率器與光纖實體連接才能量測光功率，可無線地以該光感測器42接收該輻射輸出光信號的功率，且依據該第一光信號的相位調變，進而簡易地調整輻射輸出光信號。

若應用於傳送信號時，則將該無線信號相位調變器設置在房間的天花板，則使用者可以在房間的任一位置利用光感測器42接收經調變後的輻射輸出光信號。更詳細地說，可利用光纖傳送速度快且不易受外界干擾的特性先將資料利用光纖傳送至使用者活動範圍附近，再藉由無線的方法接收輻射輸出光信號，且利用改變該光相位調整器22的電壓，而改變該第一、二光信號的相位差，進而調整該輻射輸出光信號的強弱數值。

＜實驗結果＞

參閱圖3，已知第二階布拉格光纖光柵3的共振波長為1539.3nm，當輸入波長為1539.3nm的輸入光信號時，藉由改變該光相位調整器22的直流電壓調變該控制信號，進而使該第一輸出光信號、第二輸出光信號，及輻射輸出光信號的功率也跟著改變，且該光相位調整器22的直流電壓由0V至20V，該光相位調整器22所輸出的光較所輸入的光的相位移為0到2π。從圖可知，由於此輸入光信號的波長落在形成二階布拉格條件範圍內，則自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32輸入的光形成干涉，當控制信號的直流電壓為6V至17V時，其輻射能量的範圍為9.16μW至3.85μW，且直流電壓自0V至20V而調整該控制信號，該輻射輸出光信號也成週期性地變化，此也表示，本發明無線信號相位調變器的輸射輸出信號可根據該第一光信號相位差的改變而對應地調變；當自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32輸入的光信號的相位為差π(即直流電壓大約在10V)，接收來自該第一輸出光信號的光功率器41量測得到該第一輸出光信號在其中之一週期內最小的光功率：0.486mW，此時接收來自該第二輸出光信號的光功率器41量得該第二輸出光信號在其中之一週期內最大的光功率：1.539 mW；當直流電壓大約在40V時，接收來自該第一輸出光信號的光功率器41量得在另一週期內最小的光功率：0.538mW，此時接收來自該第二輸出光信號的光功率器41量得在另一週期內最大的光功率：1.408 mW。

因此，當所輸入光信號的光波長為滿足共振與形成輻射的波長時，可利用光感測器42以無線的方法量測獲得具有週期性的輻射輸出光信號；此外，也表示當該光干涉現象發光而產生反射與傳輸的光作動態樣時，於該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32所輸出的輸出光信號在同一周期中分別為實質上最小及實質上最大。

特別地，也可藉由控制光相位調整器22的直流電壓，即可改變第一、二光信號的相位移，進而改變在該第二階布拉格光纖光柵3中的光干涉結果而改變該輸出光信號組，及該輻射輸出光信號。當經調變後的輻射輸出光信號的實質最大值與實質最小值分別都落在預定範圍時，將實質最大值作為無線開啟訊號，實質最小值作為無線關閉訊號，可進一步地將該無線信號相位調變器作為無線光開關；當輸出光信號組的光功率主要集中在該等輸出光信號組的其中之一時，則可在具備無線光開關的同時，也形成有線光開關。

參閱圖4，該第二階布拉格光纖光柵3的共振波長為1539.3nm的條件下，當輸入波長為1539.15nm的輸入光信號，並調變該控制信號的直流電壓時，由於輸入該雙光產生單元2的輸入光信號非為形成共振與輻射的光波，所以光耦合的效果不明顯，造成自該第二階布拉格光纖光柵3的第一端31與第二端32輸出的光功率幾乎維持在常數，且不會有週期性的變化，此外，輻射輸出光信號的功率也很不明顯，幾乎維持於不達2.5μW的程度，而且也與該輸出光信號組一樣，光功率僅維持在固定常數值，而沒有週期性的起伏。

綜上所述，本發明較佳實施例利用該第二階布拉格光纖光柵3配合該雙光產生單元2而傳送光信號，並調整光信號的強弱，並以無線的方式直接取出隨第一、二光信號的相位差調變的輻射輸出光信號，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．步驟

12．．．步驟

2．．．雙光產生單元

21．．．光分離器

211．．．輸入端

212．．．輸出端

22．．．光相位調整器

221．．．輸入端

222．．．輸出端

23．．．光循環器

231．．．第一端

232．．．第二端

233．．．第三端

3．．．第二階布拉格光纖光柵

31．．．第一端

32．．．第二端

41．．．光功率器

42．．．光感測器

圖1是一流程圖，說明本發明調整無線信號相位的方法的一較佳實施例；

圖2是一示意圖，說明用於本發明調整無線信號相位的方法的無線信號相位調變器；

圖3是當該較佳實施例的輸入光信號的波長等於一第二階布拉格光纖光柵的共振波長時的實驗結果；及

圖4是當該較佳實施例的輸入光信號的波長不等於一第二階布拉格光纖光柵的共振波長時的實驗結果。

11．．．步驟

12．．．步驟

Claims (9)

1. 一種調整無線信號相位的方法，包含：(a)輸入一輸入光信號及一控制信號至一依據該輸入光信號產生具有相位差之輸出光信號的雙光產生單元，令該雙光產生單元根據該控制信號將該輸入光信號產生一第一光信號，及一與該第一光信號具有相位差的第二光信號；及(b)令該第一、二光信號進入一第二階布拉格光纖光柵而在干涉後輸出一包括複數形式之輸出光信號的輸出光信號組，及輻射出一輻射輸出光信號。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之調整無線信號相位的方法，其中，該步驟(a)是令該輸入光信號自該雙光產生單元的一光分離器的一輸入端進入而形成等分該輸入光信號的功率並分別自該光分離器的二輸出端輸出的二光信號，該二光信號其中之一自該雙光產生單元的一光相位調整器進入並改變相位後自該光相位調整器輸出，再進入該雙光產生單元的二光循環器的其中之一改變行進方向後輸出成為該第一光信號，該二光信號其中之另一直接輸入該雙光產生單元的光循環器的其中之另一以改變行進方向後輸出成為該第二光信號。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之調整無線信號相位的方法，其中，該步驟(b)是令該第一、二光信號分別自該第 二階布拉格光纖光柵的彼此相反的一第一端和一第二端進入該第二階布拉格光纖光柵，且該輸出光信號組的輸出光信號是沿著平行於該第一、二端的假想連線的方向向外輸出，該輻射輸出光信號沿著垂直於該第一、二端的假想連線的方向向外輻射。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之調整無線信號相位的方法，其中，該步驟(b)輸出的輸出光信號組包括二種形式的輸出光信號，且該二種形式的輸出光信號分別自該第二階布拉格光纖光柵的第一、二端輸出，再分別經由該等光循環器轉向而輸出至外界。
5. 一種無線信號相位調變器，包含：一雙光產生單元，接受一輸入光信號，及一控制信號，並使該光輸入信號根據該控制信號產生一第一光信號，及一和該第一光信號具相位差的第二光信號；及一第二階布拉格光纖光柵，接收該第一、二光信號並使該第一、二光信號相干涉後輸出一包括複數形式之輸出光信號的輸出光信號組，及輻射一輻射輸出光信號。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之無線信號相位調變器，其中，該第二階布拉格光纖光柵包括一第一端，及一於相反於該第一端的第二端，且該輸出光信號組包括一自該第一端輸出的第一輸出光信號，及一自該第二端輸出的第二輸出光信號。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之無線信號相位調變器， 其中，該雙光產生單元包括一將一光信號分成複數同波長及同相位的光的光分離器、一改變光的相位的光相位調整器，及二用於改變光行進方向的光循環器。
8. 依據申請專利範圍第5項所述之無線信號相位調變器，其中，該輻射輸出光信號的行進方向與該第二階布拉格光纖光柵的該第一、二端的連線方向垂直，且該第一、二輸出光信號的行進方向與該第二階布拉格光纖光柵的第一、二端的連線方向平行。
9. 依據申請專利範圍第5項所述之無線信號相位調變器，其中，該輻射輸出光信號依據該第一光信號的相位改變而調變。