TWI572152B - 光纖色散監控系統 - Google Patents

Description

光纖色散監控系統

本發明係與一種光纖色散監控系統有關，特別係與一種適用於被動光學網路的光纖色散監控系統有關。

隨著網路頻寬需求成長，傳輸速率也不斷提升，使得光纖通訊的信號品質要求也逐漸嚴苛。色散(Chromatic dispersion)是影響光纖通訊的信號品質的重要因素之一。在高速率光纖傳輸系統中，從發送端機房送出光信號到用戶端的信號品質，通常需依賴色散補償來改善。

一般而言，光纖中的色散程度是使用光纖色散值(D)表示，單位為ps/nm*km，為在傳輸每單位公里(km)數下，每一奈米(nm)寬度頻譜所產生的時間延遲。目前已有多種以時域量測(time domain measurement)的技術，例如：單一光源量測法、多光源(Tunable light sources)量測法、寬頻譜光源(Super continuum sources)量測法等。

單一光源量測法因雷射本身線寬(linewidth)相對於寬頻譜較小，在判斷時間延遲的示波器上需要非常高的規格，因此價格不斐。多光源量測法因使用了可調式雷射(Tunable laser)或多顆光源及一參考光源，除了價格相對高以外，系統在接收端(Receiver)需增加可調式濾波器(Tunable filter)或濾波器(band pass filter)來限制乘載信號。寬頻譜光源量測法，雖然具有較寬頻譜線寬(linewidth)產生較大的時間延遲(time delay)，但其所使用的量測設備及使用光源成本差異甚大。

另一些習知的色散量測技術，在調變信號部分需使用光外部調變器(Electro-optic modulator)，因此相對複雜及昂貴。

綜合以上所述，如何以簡易、快速且低成本的方法來監控及量測光纖的色散，是本領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的在於提出一種光纖色散監控系統，能簡易、快速地測量出一光纖通道的色散是否異常，且能大幅降低監控成本。

本發明之另一目的在於提出一種光纖色散監控系統，能符合不同波長光纖通道測量色散的需求，並適用於一被動光學網路(Passive Optical Networks, PON)架構。

為了達到上述目的，本發明提供一種光纖色散監控系統，用以監控一待測光纖之色散。該系統包括一發送端及一接收端，並將待測光纖裝設於發送端與接收端之間。

發送端包括一第一雷射二極體及一第二雷射二極體，第一雷射二極體用以產生一量測光信號，第二雷射二極體用以產生一參考光信號，其波長與量測光信號不同。量測光信號及參考光信號經耦合後同時進入待測光纖之一端。

接收端包括一第三雷射二極體、一第四雷射二極體及一時間延遲判斷器。第三雷射二極體及第四雷射二極體兩者適於接收從待測光纖之另一端所輸出的量測光信號及參考光信號，並且兩者皆電性連接時間延遲判斷器。第三雷射二極體的傳輸波長與第一雷射二極體相同，並且第四雷射二極體的傳輸波長與第二雷射二極體相同。第三雷射二極體接收量測光信號及參考光信號後，分別將其轉換成一量測電信號及一第一參考電信號。第四雷射二極體接收量測光信號及參考光信號後，僅將參考光信號轉換成一第二參考電信號。量測電信號及第一參考電信號輸入至時間延遲判斷器後，時間延遲判斷器產生一疊加方波電壓，疊加方波電壓於一第一時間開始升高。第二參考電信號輸入至時間延遲判斷器後，時間延遲判斷器產生一單方波電壓，單方波電壓於一第二時間開始升高。時間延遲判斷器量測第一時間與第二時間之一時間差，以作為計算光纖色散值的依據。

在一實施例中，上述的發送端包括一信號產生器(oscillator)，其中信號產生器產生一單方波脈衝，並將單方波脈衝傳送至第一雷射二極體及第二雷射二極體。

在一實施例中，上述的接收端包括一第一通道分路器(splitter)、一色散值計算器、一第一放大器及一第二放大器。第一通道分路器之一端與待測光纖連接，第一通道分路器之另一端與第三雷射二極體及第四雷射二極體連接。第一放大器之一端連接第三雷射二極體，第二放大器之一端連接第四雷射二極體，第一放大器及第二放大器之另一端皆連接至時間延遲判斷器。色散值計算器讀取時間延遲判斷器所傳來的時間差，據以計算出一光纖色散值。

在一實施例中，上述的發送端包括一光耦合器，光耦合器之一端與第一雷射二極體及第二雷射二極體連接，接收端包括一波長分波多工耦合器(wavelength-division multiplexing, WDM)，波長分波多工耦合器之一端與待測光纖連接，波長分波多工耦合器之另一端與第三雷射二極體及第四雷射二極體連接。

在一實施例中，上述的發送端包括一多工器，多工器之一端與第一雷射二極體及第二雷射二極體連接，接收端包括一波長分波多工耦合器(wavelength-division multiplexing, WDM)，波長分波多工耦合器之一端與待測光纖連接，波長分波多工耦合器之另一端與第三雷射二極體及第四雷射二極體連接。

在一實施例中，上述的光纖色散監控系統更包括一第二通道分路器(splitter)，第二通道分路器之一端連接發送端，第二通道分路器之另一端連接多條待測光纖。

在一實施例中，上述的待測光纖具有一零色散波長，第二雷射二極體所產生之參考光信號的波長與該零色散波長相同。

在一實施例中，上述的第一雷射二極體所產生的量測光信號之波長選自1480nm、1550nm及1650nm三者之其一，並且第二雷射二極體所產生之參考光信號之波長係為1310nm。

本發明的光纖色散監控系統在接收端使用兩顆雷射二極體來將通過光纖後的光信號轉為電信號，較一般的光感應元件便宜；在發送端採用直接調變(Direct modulation)技術，亦即，無需使用光外部調變器(Electro-optic modulator)來調變光信號，可有效地降低整體系統的設置複雜度及成本。發送端的頻譜線寬(linewidth)由量測光信號及參考光信號的波長差所決定，因此可達到一般寬頻光源的光譜半高寬的2-3倍，故使用較低階的時間延遲判斷器即可測量時間延遲，因此可降低設備成本。

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較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

本發明為一單向的光纖色散監控系統，適用於一光學被動網路(PON)中，並具有低成本、裝置簡單等優點。如圖1所示，光纖色散監控系統100包括一發送端110(Transmitter)及一接收端120(Receiver)。待測光纖200裝設於發送端110與接收端120之間。

如圖1，發送端110包括一第一雷射二極體111、一第二雷射二極體112、一光耦合器113及一信號產生器(oscillator)114。接收端120包括一第三雷射二極體121、一第四雷射二極體122、一時間延遲判斷器123、一色散值計算器124、一第一通道分路器(splitter)125、一第一放大器126及一第二放大器127。在一實施例中，光信號通過光耦合器113之後，可藉由一第二通道分路器(splitter)115將光功率平均分配給多條光纖通道200、201，而形成多光纖通道傳輸架構。

發送端110的組成元件分述如下：

信號產生器114：所產生的信號為一單方波脈衝(single square wave pulse)的無線射頻(radio frequency)電信號RF。

第一雷射二極體111：亦可稱為量測雷射二極體(Test laser diode)，用以提供一量測光信號LS₁ ，可採用一分佈回饋型雷射二極體(Distributed Feedback laser, DFB)或一費布力-佩若雷射(Fabry-Perot, FP)，第一雷射二極體111使用的波長為所對應之光纖200通道傳輸時使用之波長，傳輸波長例如為：1480nm、1550nm或1650nm。

第二雷射二極體112：亦可稱為參考雷射二極體(Reference laser diode)，用以提供一參考光信號LS₂ ，第二雷射二極體112可使用的波長為所對應之光纖200通道傳輸時之零色散波長，例如為1310nm。

光耦合器113(Couper)：是一光學被動元件，功能為使量測光信號與參考光信號能耦合在同一光纖200中。

接收端120的組成元件分述如下：

第一通道分路器(splitter)125：為一光學被動元件，本實施例使用的第一通道分路器125具有一個輸出接頭及二個輸出接頭。

第三雷射二極體121：其使用的波長及種類皆與量測雷射二極體111相同，功能為接收及監控通過待測光纖200後的量測光信號LS₁ 及參考光信號LS₂ ，並將其轉換為電信號ES₁ 及ES₂₁ 。

第四雷射二極體122：其使用的波長及種類皆與參考雷射二極體112相同，功能為接收及監控通過光纖200後的參考光信號LS₂ ，並將其轉換為電信號ES₂₂ 。

第一放大器126：將第三雷射二極體121所傳來的電信號ES₁ 及ES₂₁ 放大，以增加後續判斷時間延遲的準確性。

第二放大器127：將第四雷射二極體122所傳來的電信號ES₂₂ 放大，以增加後續判斷時間延遲的準確性。

時間延遲判斷器123(Time delay Comparator)：為一電信號示波器，電性連接於第三雷射二極體121與第四雷射二極體122，功能為判斷第三雷射二極體121與第四雷射二極體122所傳來的不同電信號ES₁ 、ES₂₁ 及ES₂₂ 之時間延遲差異。

色散值計算器(Chromatic dispersion Caculator)124：為一數值處理器，功能為讀取時間延遲判斷器123所提供的資訊，並計算此通道的光纖色散程度，以光纖色散值(D)表示，計算式如下：

其中△t為時間延遲；△λ為量測光信號與參考光信號之波長差；L為待測光纖之長度。

於本實施例中採用一單模光纖(single mode fiber)作為待測光纖200(fiber under test)，其零色散波長(Zero dispersion wavelength)為1310nm。

以下為光纖色散監控系統100的運作說明，分別就發送端110及接收端120說明其運作原理。

發送端110運作原理說明：運用信號產生器114產生一單方波脈衝電信號RF，同時將此單方波脈衝電信號RF輸入量測雷射二極體111及參考雷射二極體112。量測雷射二極體111及參考雷射二極體112接收單方波脈衝電信號RF後，量測雷射二極體111產生一量測光信號LS₁ ，其波長可為1480nm、1550nm或1650nm，而參考雷射二極體112產生一波長為1310nm的參考光信號LS₂ 。將量測光信號LS₁ 及參考光信號LS₂ 這兩個不同波長光信號使用光耦合器113，耦合進同一條待測光纖200中，使兩光信號LS₁ 及LS₂ 能同時進入第二通道分路器115，而第二通道分路器115的閘道數取決於用戶端的數量需求。當兩個不同波長光信號LS₁ 及LS₂ 進入同一閘道後，因不同波長在同一待測光纖200中擁有不同的傳輸速度，兩光信號LS₁ 及LS₂ 經由待測光纖200傳輸一特定距離後，由於傳輸速度的差異，不同波長光信號LS₁ 及LS₂ 之間就會有不同的時間延遲。

接收端120運作原理說明：請同時參考圖2，兩個不同波長光信號LS₁ 及LS₂ 經待測光纖200到達接收端120。接收端120前端的第一通道分路器125具有一輸入通道及二輸出通道。第一通道分路器125將每個光信號功率平均分配至兩輸出通道，使第三雷射二極體121及第四雷射二極體122各自都能接收到兩不同波長的光信號LS₁ 及LS₂ 。第三雷射二極體121接收量測光信號LS₁ 及參考光信號LS₂ 後，分別將其轉換成一量測電信號ES₁ 及一第一參考電信號ES₂₁ 。第四雷射二極體122接收量測光信號LS₁ 及參考光信號LS₂ 後，僅將參考光信號LS₂ 轉換成一第二參考電信號ES₂₂ ，亦即第四雷射二極體122具有條件式篩選訊號的功能。條件式篩選訊號原理為雷射二極體各自擁有特定能隙，短波長的雷射二極體能隙較大而長波長的雷射二極體能隙較小，所以當長波長及短波長光源被短波長雷射二極體接收時，因短波長雷射二極體能隙較大，長波長光無法使電子電洞躍遷產生電流，而產生過濾訊號的功能。量測電信號ES₁ 及第一參考電信號ES₂₁ 經過第一放大器126，而第二參考電信號ES₂₂ 經過第二放大器127之後進入時間延遲判斷器123，量測出兩波長光信號LS₁ 及LS₂ 到達接收端120的時間差△t。將時間差△t的測量數值輸入色散處理器124中，計算出光纖色散值(D)。實務上，可將光纖色散監控系統100運作多次，進行重複多次量測以取得光纖色散值(D)的平均值。

參照圖2及圖2A至2B，將時間延遲判斷器123判斷時間差的方法具體說明如下：量測電信號ES₁ 及一第一參考電信號ES₂₁ 輸入至時間延遲判斷器123後，時間延遲判斷器123產生一疊加方波電壓(S1+S21)。如圖2A之A點位置，疊加方波電壓(S1+S21)於一第一時間t₁ 開始升高。第二參考電信號ES₂₂ 輸入至時間延遲判斷器123後，時間延遲判斷器123產生一單方波電壓S22。如圖2A及圖2B之B點位置，單方波電壓S22於一第二時間t₂ 開始升高。時間延遲判斷器123量測第一時間t₁ 與第二時間t₂ 之一時間差△t，以作為計算光纖色散值(D)的依據。

圖3的光纖色散監控系統101是本發明的另一實施例，將圖1接收端120的第一通道分路器125改為一波長分波多工耦合器128(wavelength-division multiplexing, WDM)而形成新的接收端120a結構。波長分波多工耦合器128之一端與待測200連接，波長分波多工耦合器128之另一端與第三雷射二極體121及第四雷射二極體122連接。

圖4的光纖色散監控系統102是本發明的另一實施例，將圖3的發送端110之光耦合器113改為一多工器116(multiplexer)。接收端120a仍採用波長分波多工耦合器128來連接於待測光纖200與第三雷射二極體121及第四雷射二極體122之間。圖4的實施例相當於使用多工器及解多工器作為耦合、分離不同波長光之元件，其整體操作量測方法與前述實施例一樣，與圖1比較，優點在於能使接收端解出電信號時，判斷時間延遲較為精準。

值得一提的是，本發明的發送端(Transmitter)與接收端(Receiver)皆有2顆雷射二極體，且為同一波長相互對應，相較於習知光纖色散量測裝置所採用的光源及光檢測器更便宜。本發明的發送端(Transmitter)使用的調變技術屬於直接調變(Direct modulation)技術，亦即，無需使用光外部調變器(Electro-optic modulator)來調變光信號；接收端(Receiver)也不限定用波長分波多工耦合器(Wavelength-division multiplexing)來分離光信號，可有效地降低整體系統設置的複雜度及成本。

將上述所有實施例的共同量測條件說明如下：

1. 光纖距離(Transmission distance)：在測量單一通道光纖色散數值(D)時，光纖長度必須已知。

2. 頻譜線寬(Linewidth)：在參考雷射二極體的波長為固定值時，頻譜線寬的寬度決定於光纖通道使用傳輸波長，其相當於量測雷射二極體使用的波長，例如：量測雷射二極體使用的波長為1550nm，而參考雷射二極體使用的波長為1310nm，則頻譜線寬的估計值為(1550nm-1310nm)=240nm，其大約是一般寬頻光源的光譜半高寬的2-3倍。附帶一提的是，若參考雷射二極體(Reference LD)及量測雷射二極體(Test LD)都使用分佈回饋型雷射二極體(DFB laser diode)則能減少誤差值。

本發明的光纖色散監控系統，適用於單一通道及多通道，且可單獨使用於光網路的每兩節點之間，例如：一光線路終端(Optical Line Terminal, OLT)與一光網路終端(Optical Network Terminal, ONT)之間、一光網路單元(Optical Network Unit, ONU)與光網路終端之間，或是兩光網路單元之間，作為光纖色散監控，其可簡易、快速地測量出待測光纖的色散是否異常，並兼具降低監控成本及裝置容易的優點，可應用在光纖通訊智慧電網的監控上，適用於現有被動光學網路(PON)架構中，並符合不同波長傳輸通道測量色散的需求。

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。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100、101、102‧‧‧光纖色散監控系統

110、110a‧‧‧發送端

111‧‧‧第一雷射二極體

112‧‧‧第二雷射二極體

113‧‧‧光耦合器

114‧‧‧信號產生器

115‧‧‧第二通道分路器

116‧‧‧多工器

120、120a‧‧‧接收端

121‧‧‧第三雷射二極體

122‧‧‧第四雷射二極體

123‧‧‧時間延遲判斷器

124‧‧‧色散值計算器

125‧‧‧第一通道分路器

126‧‧‧第一放大器

127‧‧‧第二放大器

128‧‧‧波長分波多工耦合器

200‧‧‧待測光纖(光纖通道)

201‧‧‧光纖通道

圖1係為本發明之第一實施例的光纖色散監控系統示意圖。

圖2係為本發明之第一實施例的光纖色散監控系統的接收端，其運作原理示意圖。

圖2A及圖2B係為本發明之第一實施例的光纖色散監控系統的時間延遲判斷器，其判斷時間差的方法示意圖。

圖3係為本發明之第二實施例的光纖色散監控系統示意圖。

圖4係為本發明之第三實施例的光纖色散監控系統示意圖。

100‧‧‧光纖色散監控系統

110‧‧‧發送端

111‧‧‧第一雷射二極體

112‧‧‧第二雷射二極體

113‧‧‧光耦合器

114‧‧‧信號產生器

115‧‧‧第二通道分路器

120‧‧‧接收端

121‧‧‧第三雷射二極體

122‧‧‧第四雷射二極體

123‧‧‧時間延遲判斷器

124‧‧‧色散值計算器

125‧‧‧第一通道分路器

126‧‧‧第一放大器

127‧‧‧第二放大器

200‧‧‧待測光纖(光纖通道)

201‧‧‧光纖通道

Claims (9)

1. 一種光纖色散監控系統，用以監控一待測光纖之色散，該系統包括：一發送端，包括一第一雷射二極體及一第二雷射二極體，其中該第一雷射二極體產生一量測光信號，該第二雷射二極體產生一參考光信號，其波長與該量測光信號不同，該量測光信號及該參考光信號經耦合後同時進入該待測光纖之一端；以及一接收端，包括一第三雷射二極體、一第四雷射二極體及一時間延遲判斷器，其中該第三雷射二極體接收從該待測光纖之另一端所輸出的該量測光信號及該參考光信號，並且該第四雷射二極體接收從該待測光纖之另一端所輸出的該量測光信號及該參考光信號，並且該第三雷射二極體及該第四雷射二極體電性連接該時間延遲判斷器，該第三雷射二極體的傳輸波長與該第一雷射二極體相同，並且該第四雷射二極體的傳輸波長與該第二雷射二極體相同，其中該量測光信號及該參考光信號二者皆輸入該第三雷射二極體後，分別被該第三雷射二極體轉換成一量測電信號及一第一參考電信號，並且，該量測光信號及該參考光信號二者皆輸入該第四雷射二極體後，僅有該參考光信號被該第四雷射二極體轉換成一第二參考電信號，其中，該量測電信號及該第一參考電信號二者皆輸入至該時間延遲判斷器後，該時間延遲判斷器產生一疊加方波電壓，該疊加方波電壓於一第一時間開始升高，該第二參考電信號輸入至該時間延遲判斷器後，該時間延遲判斷器產生一單方波電壓，該單方波電壓於一第二時間開始升高，該時間延遲判斷器量測該第一時間與該第二時間之一時間差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光纖色散監控系統，其中該發送端包括一信號產生器(oscillator)，其中該信號產生器產生一單方波脈衝，並將該單方波脈衝傳送至該第一雷射二極體及該第二雷射二極體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光纖色散監控系統，其中該接收端包括一色散值計算器、一第一放大器及一第二放大器，其中該色散值計算器讀取該時間延遲判斷器所傳來的該時間差，據以計算出一光纖色散值，該第一放大器之一端連接該第三雷射二極體，該第二放大器之一端連接該第四雷射二極體，該第一放大器及該第二放大器之另一端皆連接至該時間延遲判斷器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光纖色散監控系統，其中該接收端包括一第一通道分路器(splitter)，該第一通道分路器之一端與該待測光纖連接，該第一通道分路器之另一端與該第三雷射二極體及該第四雷射二極體連接。
5. 如申請專利範圍第3項所述之光纖色散監控系統，其中該發送端包括一光耦合器，該光耦合器之一端與該第一雷射二極體及該第二雷射二極體連接，該接收端包括一波長分波多工耦合器(wavelength-division multiplexing,WDM)，該波長分波多工耦合器之一端與該待測光纖連接，該波長分波多工耦合器之另一端與該第三雷射二極體及該第四雷射二極體連接。
6. 如申請專利範圍第4項所述之光纖色散監控系統，其中該發送端包括一多工器，該多工器之一端與該第一雷射二極體及該第二雷射二極體連接，該多工單之另一端與該待測光纖連接，該接收端包括一波長分波多工耦合器(wavelength-division multiplexing,WDM)，該波長分波多工耦合器之一端與該待測光纖連接，該波長分波多工耦合器之另一端與該第三雷射二極體及該第四雷射二極體連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光纖色散監控系統，更包括一第二通道分路器(splitter)，該第二通道分路器之一端連接該接收端，該第二通道分路器之另一端連接複數待測光纖。
8. 如申請專利範圍第2項所述之光纖色散監控系統，其中該待測光纖具有一零色散波長，該第二雷射二極體所產生之該參考光信號的波長與該零色散波長相同。
9. 如申請專利範圍第2項所述之光纖色散監控系統，其中該第一雷射二極體所產生的該量測光信號之波長選自1480nm、1550nm及1650nm三者之其一，並且該第二雷射二極體所產生之該參考光信號之波長係為1310nm。