TWI484774B - 直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統 - Google Patents

直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統 Download PDF

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TWI484774B TW098113560A TW98113560A TWI484774B TW I484774 B TWI484774 B TW I484774B TW 098113560 A TW098113560 A TW 098113560A TW 98113560 A TW98113560 A TW 98113560A TW I484774 B TWI484774 B TW I484774B
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直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統
本發明「直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統」是一整合式光纖通訊系統，所使用的光源為單模態，可藉由所使用之鎖模光源來鎖定特定之模態，各所選之模態可用不同調變方式來做傳送，達到同時傳輸射頻訊號與基頻訊號，更可用於區域網路訊號、智慧型傳輸系統訊號，光纖到家傳輸系統訊號與結合無線傳輸等。
近年來高速接取網路(High Speed Access Network)技術就是光纖/微波(Radio-Over-Fiber;ROF)傳輸系統，光纖/微波傳輸系統係將無線寬頻通訊與光纖系統整合在一起；光纖/微波傳輸系統具有高速接取網路之容量(Capacity)提昇及成本(Cost)下降之優點。而光纖/微波傳輸系統在中心機房(Central Station;CS)將微波訊號(Microwave Signal)轉換成光訊號(Optical Signal)，然後分送到遠端的基地台(Base Stations;BS)，這種技術可提供寬頻及低損耗之特性。
在傳統的光纖/微波傳輸系統中，系統的頻寬被微波訊號裝置所限制，而昂貴的微波訊號裝置，則會增加系統的成本。而在傳統的雙側模系統架構中，光纖色散會導致射頻功率的大量降低。有鑑於此，直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統的發明，也孕育而生。
在本發明之架構，接收端能只截取一個側模，也因為如此，數位的基頻訊號可以直接從單一側模獲得，而光載波在傳輸一百二十里後，光纖色散所引起的射頻功率之降低可以被避免，而70Mbps的資料量在上行或下行傳輸時，經過單模光纖，仍然可以得到低的誤碼率值。
本篇發明之傳輸光源部份運用雷射鎖模注入技術(Injection-locked technique)，雷射鎖模注入技術不但能大幅提昇雷射二極體既有之頻寬、且可以降低雷射擾頻效應及抑制側模達到良好的側模抑制比來改善光傳輸品質，本發明在主雷射以及副雷射部份都是用分佈反饋式(Distributed Feedback,DFB)雷射。注入鎖模不僅可以提高正一模的功率，也可以抑制光載波以及負一模，而使用此種光源注入技術時，系統存在著一個相當重要的課題，那就是注入光源波長的選擇，大抵而言會符合下式：
A (t )：場振幅
ψ (t )：相位差
N (t )：載波數
g：增益係數
N th ：臨界的載波數
A inj ：注入到副雷射的場振幅
K、α：注入場和雷射場的耦合係數
Δf：主雷射和副雷射的頻率差
J：注入電流
γ N ：載波延遲率
γ P ：光子延遲率
有鑑於傳統的雙側模系統架構，光纖色散會導致射頻功率的大量降低。本創作，乃提供一種光載波與其一側模濾除技術，可降低由光纖色散所導致的射頻功率衰減，而有效的解決傳統之缺點。
亦即，本創作的主要目的，在於提供一種光載波與其一側模濾除技術，使得光纖色散所引起的射頻功率之降低可以被避免，比起傳統之方案，更具有創作性與實用性。
本發明「直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統」，系統架構為中心機房(Central Station,CS)、光塞取多工器(OADM)、一百二十公里標準單模光纖傳輸鏈路與遠端的基地台(Base Stations,BS)所構成。中心機房又可分為上行部分與下行部分。在中心機房之下行部分由一微波訊號產生器，一個電訊號分歧器，一個光耦合器，四個分佈反饋式雷射，兩個光循環器與一個掺鉺光纖放大器所構成；在中心機房之上行部分由一光帶通濾波器，一個可調式光衰減器，一個檢光器及一個數位示波器所構成。
光塞取多工器(OADM)，由一個光纖光柵，兩個光循環器所構成。遠端的基地台部份，則是由一個可調式光衰減器，一個可調式光帶通濾波器，一個檢光器，一個數位示波器所構成。其傳輸鏈由三個四十公里單模光纖，兩個掺鉺光纖放大器所構成。
本發明係直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統設計為先將一含有數位及類比的訊號經由一對二之電訊號分歧器(RF Splitter)分出二路，載入到二個不同中心波長之分佈反饋式雷射，而主雷射部份也是由兩個不同中心波長之分佈反饋式雷射所構成，經過光循環器(Optical Circulator)後，注入到副雷射，達到鎖模注入的效果。而在光循環器之輸出端再結合成一路且連接一個掺鉺光纖放大器。在一百二十公里的單模光纖上，有光塞取多工器，提供能選擇性的載入或取出一個波長至遠端基地台。在上行至中心機房部份，經由光轉電之流程後，依據訊號種類不同作不同的處理，例如射頻訊號需經過降頻之處理，因此，此發明便達到構成直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統。
本發明設計了一個架構如圖一所示的實施範例。首先對於系統架構所使用之元件作其特性描述，於源頭部份為微波訊號產生器101特性為產生一類比訊號；一對二之電訊號分歧器102的功能為將電訊一分為二；所使用之光源為分佈反饋式雷射103a/103b/103c/103d之特性為具有單一縱模之光譜；光循環器104之特性為有三端分別為編號1、編號2與編號3，當光源由編號1端輸入，則會由編號2端輸出，若從編號2端輸入，則會由編號3端輸出，若由編號3端輸入，則會從編號1端輸出。
一對二光耦合器105的特性為單端的輸入光會以預先設計好的功率比例由另一側的多端輸出，由多端之一輸入的光則僅由另一側的單端輸出。掺鉺光纖放大器106可提升光功率，三個四十公里的單模光纖傳輸鏈路107則將光訊號傳送出去。再來針對圖二架構做描述，光塞取多工器108的特性為能選擇性的載入或取出一個波長，能在資料傳輸相同方向與波長上，放入不同資料內容；光纖光柵114其特性為具有針對特定之波長有極高之反射率，因此所輸入至光纖光柵之光源中，符合光纖光柵之特定波長將會被反射，而其餘之波長便會隨之通過。中心機房與遠端基地台端皆有的元件為光帶通濾波器110可以調整特定之頻帶，使所輸入之光源僅有屬於該光帶通濾波器所調整之特定頻帶才可以輸出；可調式光衰減器111可調整光功率之衰減；檢光器112能將輸入之光訊號進行光電轉換，因而輸出電訊號，數位示波器113可檢視傳輸品質，根據所測得之眼圖(Eye Diagram)與誤碼率(Bit Error Rate,BER)作檢視分析之用。
本發明之系統實施為使用一具有寬頻光源即分佈反饋式雷射，且因分佈反饋式雷射亦有單縱模態之特性，便可藉由鎖模注入技術選取其一模態作鎖模注入，有極佳之側模抑制比(Side-mode suppression ratio,SMSR)而利於傳輸，因此本發明利用二個分佈反饋式雷射作為鎖模注入光源。
首先本發明系統實施方式為含有數位10GHz及類比70Mbps的訊號合成後，經過一對二之電訊號分歧器再載入至反饋式雷射作直接調變，圖3(a)中看到的就是已調變的光譜圖。
於路線a之部分，已直接調變的分佈反饋式雷射光源103a連接至光循環器104之編號2端，且其波長λ1 為1551.55nm；光循環器104之編號1端接一分佈反饋式雷射103b，且其中心波長λ2 為1551.62nm，再將波長為λ2 的光源鎖模注入分佈反饋式雷射103a，鎖模注入的光譜圖即為圖3(b)所示，圖中之正一模，就是λ2 的波長。於路線b之部分，已直接調變的分佈反饋式雷射光源103c連接至光循環器104之編號2端，且其波長λ2 為1556.35nm；光循環器104之編號1端接一分佈反饋式雷射103d，且其中心波長λ4 為1556.42nm，再將波長為λ4 的光源鎖模注入分佈反饋式雷射103c。其後再銜接一個能將線路c與d合二為一光耦合器105與一個掺鉺光纖放大器106，利用單模光纖把光纖微波鏈路將光信號下行至遠端基地台109(a)與遠端基地台109(b)。
已偶合之光訊號下行部分透過三個四十公里的標準單模光纖107以及三個掺鉺光纖放大器106傳送，而傳輸鏈路上有光塞取多工器108來上傳λ2 (λ4 )或下載λ2 (λ4 )特定波長至遠端的基地台端。而遠端的基地台含有光帶通濾波器110則是用來濾除光載波以及負一模，其濾除過後則由圖3(c)中可以看到，其後之光衰減器111目的為了降低光功率，檢光器112進行光轉電過程作解調之動作，最後輸送於數位示波器113檢測眼圖及誤碼率。圖四(a)即是量測下行訊號在10GHz/70Mbps頻道時的誤碼率圖，由圖可知，在相同誤碼率10-9 時，單一側模的功率靈敏度大於DSB 15.2dB；圖五(a)與圖五(b)則分別是數位示波器所量測在DSB系統上之基頻訊號眼圖與數位示波器所量測在SSB系統上之基頻訊號眼圖，比較兩圖後可以知道，圖五(b)所量測在SSB系統上之基頻訊號眼圖中，抖動(Jitter)及振幅(amplitude)的波動程度遠遠低於圖五(a)。經過圖四(a)(b)與圖五(a)(b)的說明後，更可以了解此發明的重要性。而經過一百二十公里之上傳部分同樣也是由光帶通濾波器濾除光之載波以及負一模，此特性也可以從圖3(c)中觀察到，光衰減器目的為了降低光功率，檢光器進行光轉電過程作解調之動作，最後輸送於數位示波器作檢視誤碼率如圖四(b)所示。
本發明之直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，充分地證實其優異之效能，且所使用之光源成本效應上亦具有經濟效應，著實為一架構簡潔且具低成本之架構，再者於本發明直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，從其檢測之誤碼率可以明顯發現在誤碼率為10-9 以下時，仍然具有相當高之靈敏度。光在進入數位示波器之前的光帶通濾波器有效濾除光之載波以及負一模，則可大大降低電訊號功率所造成的光纖色散問題。而電訊號裝置的極高成本，在本發明則不再被考慮，使得此架構，在經濟效應與應用程度上，都更上層樓。
因此本發明「直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統」除了可以達到良好之誤碼率與整合式傳輸系統外，更相當具有潛力與適合於長距離傳輸，再者由於本發明之系統其架構簡潔與具有極高之成本效益，更為大幅提升佈署運用此發明之吸引力。
100．．．中心機房
101．．．微波訊號產生器
102．．．電訊號分歧器
103(a)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1551.55nm
103(b)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1551.62nm
103(c)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1556.35nm
103(d)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1556.42nm
104．．．光循環器
105．．．一對二光耦合器
106．．．掺鉺光纖放大器
107．．．單模態光纖
108．．．光塞取多工器
109．．．基地台
109(a)．．．基地台1
109(b)．．．基地台2
110．．．可調式光帶通濾波器
111．．．可調式光衰減器
112．．．檢光器
113．．．數位示波器
114．．．光纖光柵
圖一係根據本發明之利用直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統之架構圖。
圖二係根據本發明之光篩取多工器和基地台之配置架構圖。
圖三(a)係根據本發明之分佈反饋式雷射經直接調變後之光頻譜圖。
圖三(b)係根據本發明之將波長為λ2 的光源鎖模注入分佈反饋式雷射。
圖三(c)係根據本發明之直接偵測SSB之光頻譜圖。
圖四(a)係根據本發明之量測下行訊號在10GHz/70Mbps頻道時的誤碼率圖。
圖四(b)係根據本發明之量測上行訊號在10GHz/70Mbps頻道時的誤碼率圖。
圖五(a)係根據本發明之數位示波器所量測在DSB系統上之基頻訊號眼圖。
圖五(b)係根據本發明之數位示波器所量測在SSB系統上之基頻訊號眼圖。
100．．．中心機房
101．．．訊號產生器
102．．．電訊號分歧器
103(a)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1551.55nm
103(b)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1551.62nm
103(c)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1556.35nm
103(d)．．．分佈反饋式雷射，中心波長為1556.42nm
104．．．光循環器
105．．．一對二光耦合器
106．．．掺鉺光纖放大器
107．．．單模態光纖
108．．．光塞取多工器
109．．．基地台
109(a)．．．基地台1
109(b)．．．基地台2
110．．．可調式光帶通濾波器
111．．．可調式光衰減器
112．．．檢光器
113．．．數位示波器

Claims (5)

  1. 一種直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，包含有：一中心機房具中心機房之下行部份，包含：四個分佈反饋式雷射；一電訊號分岐器，電連接於該等分佈反饋式雷射中之其中之二分佈反饋式雷射；一微波訊號產生器，電連接於該電訊號分歧器；一光耦合器；以及兩個光循環器，各該光循環器具有三端，各該光循環器的其中一端光學耦接於該光耦合器，另兩端分別連接於該等分佈反饋式雷射中之二分佈反饋式雷射，且其中之一分佈反饋式雷射電連接於該電訊號分歧器；一中心機房之上行部份，包含：一光帶通濾波器；一光衰減器，光學耦接於該光帶通波器；一檢光器，光學耦接於該光衰減器，用以將光訊號轉換成電訊號；以及一數位示波器，電連接於該檢光器，用以分析訊號；二光塞取多工器，分別位於該中心機房之上行部分及該中心機房之下行部分之間；三單模光纖傳輸鏈路，其中之一單模光纖傳輸鏈路設於該等光塞取多工器之間，並光學耦接該等光塞取多工器，其中之另一 單模光纖傳輸鏈路設於該光耦合器及其中之一光塞取多工器之間，並光學耦接該中心機房之上行部分及該光塞取多工器，另一單模光纖傳輸鏈路設於另一光塞取多工器及該光帶通濾波器之間，用以光學耦接於該光塞取多工器及該光帶通濾波器；以及二基地台，分別光學耦接於於該等光塞取多工器。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，更包含三摻鉺光纖放大器，其中之二摻鉺光纖放大器分別光學耦接於該等光塞取多工器及該等單模光纖傳輸鏈路之間，另一摻鉺光纖放大器光學耦接該光耦合器及該單模光纖傳輸鏈路之間。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，其中由各該光循環器光學耦接有該光耦合器之一端輸入的光會由該光循環器光學耦接至該分佈反饋式雷射之一端輸出，由該光循環器光學耦接至未與該電信號分歧器耦接之該分佈反饋式雷射之一端輸入的光會由該光循環器光學耦接至與該電信號分歧器之該分佈反饋式雷射之一端輸出。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之直接偵測之全雙工光纖微波傳輸系統，其中各該光塞取多工器包含二光循環器及一光纖光柵，該光纖光柵光學耦接於該等光循環器之間。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之直接偵測之全雙工光纖微波傳 輸系統，其中各該基地台包含：一光帶通濾波器，光學耦接於該光塞取多工器之該光循環器；一光衰減器，光學耦接於該基地台之該光帶通波器；一檢光器，光學耦接於該基地台之該光衰減器；以及一數位示波器，電連接於該基地台之該檢光器。
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