TWI513205B - 一分波多工自由空間光傳輸系統 - Google Patents

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Description

一分波多工自由空間光傳輸系統
本發明為光通訊技術領域，而本發明是以新穎的的可見雷射光光通訊為主體，並以近年來備受矚目的正交分頻多工(OFDM)方式進行資料調變並搭配分波多工(WDM)的架構去提升資料傳輸量。
利用可見雷射光光通信(VLLC)波長介於375-780nm間的雷射二極體(Laser Diode；LD)的可見光來作為通訊媒介來取代無線電波(Radio Frequency；RF)傳輸資料的無線網路，便可以達到在室內傳輸高速無線光通訊技術的新突破。提出利用可見雷射光作為室內短距離無線通訊系統光源之應用下是非常有吸引力，並可以達到具有高頻寬、高保密性、低成本等優點，廣泛應用於電腦、PDA、手機等通訊產品，其所帶來之影響及衝擊效應也相當龐大。
因為可見光傳輸有著傳統射頻傳輸沒有的優點，所以目前室內無線通訊朝著可見光傳輸系統而發展。而在可見光傳輸系統裡係利用調變過的光來傳輸，而光源的選擇有很多種，最主要選擇的光源還是LED燈。但是利用LED的可見光傳輸系統有其極限，其最大的限制是因LED有 限的頻寬，為了克服這個難題，我們提出了使用垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)來當作光源。在近年來，垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)的技術已經成熟到可以設計出波長為680奈米的可見光範圍，且它擁有著高調變頻寬的特性，顯示出它利用在自由空間光傳輸系統中的優點。而分波多工(WDM)傳輸系統可以充分地使用各段頻寬進而增加傳輸容量，而自由空間的分波多工(WDM)傳輸系統是利用不同的光波長來將訊號載入，而這項技術對資料傳輸或通訊系統有著相當大的幫助。在這篇專利中，我們提出並驗證一個利用分波多工(WDM)技術、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)和空間光調變器(SLM)且調變訊號為16-正交幅度調製(QAM)的正交分頻多工(OFDM)經由17.5公尺的自由空間光傳輸系統。
201‧‧‧任意波形產生器(Arbitrary Wavelength Generator AWG)
202‧‧‧1對4射頻分離器(1×4 RF Splitter)
203 204 205 206‧‧‧垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser VCSEL)
207 208 209 210‧‧‧平-凸透鏡(Plane-Convex lens)
211 212 213 214‧‧‧空間光調變器(Spatial Light Modulators SLM)
215 216 217 218‧‧‧高頻寬光電檢測器(High Bandwidth Photodiode)
219 220 221 222‧‧‧低雜訊放大器(Low Noise Amplifier LNA)
223 224 225 226‧‧‧資料比較器(Data Comparator)
227‧‧‧正交分頻多工分析儀(OFDM Analyzer)
圖一 ：「利用分波多工器所構成傳輸10公尺及500Mbps的可見光傳輸系統」之先前技術架構圖；圖二 ：是本發明所提出一分波多工自由空間光傳輸系統實驗架構圖；圖三 ：此圖為本發明所提出一分波多工自由空間光傳輸系統架構後的電頻譜圖；圖四 ：此圖為本發明所提出一分波多工自由空間光傳輸系統架構後的誤碼率曲線圖；圖五 ：此圖為本發明所提出一分波多工自由空間光傳輸系統架構後誤碼率為10-6 時的星座圖。
實驗架構如圖2所顯示，圖中的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)直接被2.5Gbps/2.5GHz的16-正交振幅調變(QAM)的正交分頻多工(OFDM)訊號調變，而它的門檻電流為2mA、3-dB調變頻寬為5GHz。我們利用MATLAB軟體設計出所需的16-正交振幅調變(QAM)的正交分頻多工(OFDM)訊號並上傳到Tektronix的任意波形產生器(AWG)產生，而這個訊號詳細的內容包含有64個子載波、512 FFT、每秒5G的取樣和2.5GHz的中頻(IF)。在垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)所產生的雷射光經由分歧後進入平-凸透鏡中，傳輸一段自由空間最後進入空間光調變器(SLM)而聚焦到高頻的光電檢測器(PD)，而平-凸面鏡的功用是把已經分歧的雷射光束轉成平行光束，接著空間光調變器(SLM)把這些平行光匯聚成一點。空間光調變器係利用矽基液晶(LCoS)技術，這技術是利用直接且準確的電壓去控制液晶，而液晶像素的像距為32μm的800×600、有效區大小為26.6×20mm，為了能夠使空間光調變器(SLM)調變光的振幅與相位，每個像素都是由電腦來控制。因為有著高效率的空間解析度，所以每個像素之間的串擾是非常低的，而為了使空間光調變器(SLM)的作用像可調式平-凸透鏡，我們使用菲涅耳透鏡來輔助空間光調變器(SLM)。故藉由空間光調變器(SLM)的幫助，將平行的雷射光聚焦成一點，而從空間光調變器(SLM)到聚焦點的距離為菲涅耳透鏡的焦距。垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)到空間光調變器(SLM)的距離為16公尺，而空間光調變器(SLM)到高頻的光電檢測器(PD)的距離為1.5公尺，也就是說調變後的雷射光經過了17.5公尺的自由空間傳 輸然後才到達高頻的光電檢測器(PD)，而這個光電檢測器(PD)接收波長範圍為320-1000nm、有效偵測範圍直徑為0.4mm、在波長685nm時的放大倍率為0.46mA/mW。在接收端部分，接收到的訊號經由一雜訊指數4.5 dB的低雜訊放大器(LNA)放大後再經過資料比較器做錯誤校正，根據規格顯示此低雜訊放大器(LNA)的增益為26 dB、3-dB頻寬為5GHz、雜訊指數3.4 dB，然而當資料量為2.5Gbps/2.5GHz時實際的雜訊指數為4.5 dB，且為了使得輸出訊號能穩定且達到低消耗的功率，我們將低雜訊放大器(LNA)的溫度保持在一定值，最後訊號再進入正交分頻多工(OFDM)分析儀，裡面包含通訊訊號分析器、使用MATLAB軟體進行誤碼率(BER)結果分析和量測星座圖。
201‧‧‧任意波形產生器(Arbitrary Wavelength Generator AWG)
202‧‧‧1對4射頻分離器(1×4 RF Splitter)
203 204 205 206‧‧‧垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser VCSEL)
207 208 209 210‧‧‧平-凸透鏡(Plane-Convex lens)
211 212 213 214‧‧‧空間光調變器(Spatial Light Modulators SLM)
215 216 217 218‧‧‧高頻寬光電檢測器(High Bandwidth Photodiode)
219 220 221 222‧‧‧低雜訊放大器(Low Noise Amplifier LNA)
223 224 225 226‧‧‧資料比較器(Data Comparator)
227‧‧‧正交分頻多工分析儀(OFDM Analyzer)

Claims (6)

  1. 一分波多工自由空間光傳輸系統，包含：一任意波形產生器、一1對4射頻分離器、四組垂直共振腔面射型雷射、四組平-凸透鏡、四組空間光調變器、四組高頻寬光電檢測器、四組低雜訊放大器、四組資料比較器、一OFDM分析儀；其中，由一任意波形產生器產生一OFDM訊號傳輸至一1對4射頻分離器將OFDM訊號分離成四組相同訊號的通道，再將該四組訊號分別直接調變四組垂直共振腔面射型雷射並以四種不同電流值去驅動，因為該雷射發射出的光源為發散的，所以分別採用四組平-凸透鏡將發散光源調整為四組平行光束，該四組平行光束經自由空間傳輸分別進入四組空間光調變器，然後調整空間光調變器使該四組平行光束在1.5公尺後聚焦於四組高頻寬光電檢測器，藉由該高頻寬光電檢測器將光訊號轉換成電訊號後藉由四組低雜訊放大器分別將四組電訊號放大與抑制雜訊，再經由四組資料比較器將四組訊號比對與濾除雜訊再將該四組資料輸出至一OFDM分析儀進行資料的品質測試與分析。
  2. 如申請專利範圍第1項所述一分波多工自由空間光傳輸系統，其中該四組高頻寬光電檢測器(PD)接收波長範圍為320-1000nm、有效偵測範圍直徑為0.4mm、在波長685nm時的放大倍率為0.46mA/mW。
  3. 如申請專利範圍第1項所述一分波多工自由空間光傳輸系統，其中該四組低雜訊放大器(LNA)的增益為26 dB、3-dB頻寬為5GHz、雜訊指數3.4 dB。
  4. 如申請專利範圍第1項所述一分波多工自由空間光傳輸系統，其中該四組 個像素尺寸為32μm、有效區大小為26.6×20mm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述一分波多工自由空間光傳輸系統，其中該四組垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)當操作電流分別為8mA、10mA、12mA、14mA時，輸出光功率分別為4.5mW、4.3mW、4.4mW、4.2mW。
  6. 如申請專利範圍第1項所述一分波多工自由空間光傳輸系統，其中該自由空間之傳輸距離為17.5公尺。
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