論文架構

1.4 論文架構

一開始已先在本章介紹了長距離被動式光纖網路和雷利背向散射的產生以

及分類，而在第二章，我們會介紹各種已經被提出的長距離被動式光纖網路的架 構。第三章則介紹我們在實驗中減少雷利背向散射雜訊干擾的方法，以及就該方 法進行數學上的推導以輔助了解該方法。

接著我們會分析兩種調變格式(這兩種調變格式會在後面說明)分別對於的 兩種雷利背向散射雜訊的容忍度，同時我們也提出了兩種架構的長距離被動式光 纖網路，並且會把結果較好的架構和上面所介紹過的架構做比較，也會討論網路 通訊的功率消耗的情形做討論。最後再第七章則提出用子載波多工(subcarrier multiplexing) 產生 100 Gb/s 的訊號的方法，並說明結論以及外來展望。

圖1.1(a) 高解析度電視和超高解析度電視的比較[3]

圖1.1(b) 超高解析度電視的實景[2]

圖1.2 法國不列塔尼，不同接觸網路技術下局端所需的數量[12]

圖1.3 被動式光纖網路支援範圍和設備數量的關係[3]

圖1.4 CIP 反射式半導體光放大器的產品[4]

圖1.5 載波分配被動式光纖網路示意圖

第 二 章

各種已被提出的長距離被動式光纖網路

目前，已經有許多種長距離被動式光纖網路的架構被提出，在本章會介紹數 個已被提出的架構。

2.1 British Telecom (BT) [5]

BT 的架構如圖 2.1，下傳的速度為 2.488Gb/s，而上傳的速度為 1.244Gb/s，

光網絡單元的分流比為 64(1x8 的分流器(splitter)連接另外一個 1x8 的分流器)。

從圖可以看出接駁光纖(feeder fiber)的長度為 125 公里，而下降光纖(drop fiber)

的長度為 10 公里，在 Infinera 公司的密集分波長多工系統的兩端各裝置了一台 摻鉺光纖放大器，以補償傳輸損失。

上、下傳的載波的波長在進入此密集分波長多工之前，都會先經過一轉頻器 (transponder)，將載波的波長轉換成能夠和此密集分波長多工系統相容的波長。

下傳的訊號在經過接駁光纖傳輸密集分波長多工的輸出端之後，便會由另一轉頻 器將波長轉換回原發送器(transmitter)的波長，再將訊號載入到光網絡單元接收。

而上傳的訊號在經密集分波長多工的輸出端後，會連接一光頻道濾波器(optical channel filter)並由局端的接收器接收訊號。

2.2 PIEMAN [6],[7]

PIEMAN 的全名為 Photonic Integrated Extended Metro and Access Network，

它是歐盟的第六期計畫(6th framework programme)，而 BT、Tyndall、Lucent、CIP 等公司也參與此計劃。PIEMAN 在今年的研討會(OFC’10)中提出兩種架構光纖網 路，架構如圖2.2(a)、.2.2(b)。圖 2.2(b)是一個載波分配被動式光纖網路的架構，

而在這個架構中用來減低載波雷利背向散射對於訊號干擾的方法是使用雙接駁 光纖(dual-feeder fiber)。接駁光纖的長度在整個光纖網路裡佔有很大的比率，因 此大部分的載波雷利背向散射都是在這裡所產生的。中央光源的載波從局端往光 網絡單元傳送和上傳訊號從光網絡單元往局端傳送是在兩個不同的接駁光纖裡 面進行傳輸，因此大部分的載波雷利背向散射不會對上傳訊號產生干擾。而在圖 2.2(a)的架構並非為載波分配被動式光纖網路，因此並沒有雷利背向散射雜訊的 問題。

這個兩個架構的上、下傳速度皆為10 Gb/s，圖2.2(a)使用者所使用的載波是 可調式雷射，此雷射的共振腔式為可調式外部共振腔(tunable external cavity)。而

這樣的雷射在裝置時會調整為使用者所在地使用的波長，並固定調整波長的調整 器，以輸出載波的波長，這樣架構的可調式雷射，CIP稱為set-and-forget。在圖 2.2(a)架構中，傳輸全長為100公里，其中接駁光纖的長度佔90公里，而光網絡單 元的分流比可以達到512。而圖2.2(b)中有提到，傳輸所用的光纖是實際將光纖在 愛爾蘭的兩個城市之間鋪設 (field trial)，它的上傳載波是將中央光源裝置在局

端，整個架構全長為135公里，而接駁光纖的長度為124公里，光網絡單元的分流 比可以達到256。

2.3 AT&T [7]

AT&T 提出的架構如的圖 2.3，在這個架構中上下傳的速度皆為 2.488 Gb/s。

在光線路終端器(optical line termination)包含了一組發送器和接收器，以及三個為 1510 nm、1530 nm、1550 nm 的波長作為影像增強(video enhancement)之用。在 架構中的延長器盒子(extender box)是用來作為放大訊號，下傳的訊號是混合式的 半導體光放大器和拉曼放大器 (SOA-Raman hybrid amplifier) 放大，而上傳的訊 號會先旁通(bypass) 半導體光放大器和拉曼放大器的混合式放大器並用半導體 光放大器放大訊號。光網絡單元的分流比可以到64，而接駁光纖長度為 40 公里，

下降光纖長度則為20 公里。

2.4 OFDM-PON[9]

架構圖如圖 2.4，正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing)訊

號的頻寬為1 GHz (從 62.5 MHz~1125 MHz)，使用 16-正交幅度調變(quadrature amplitude modulation)，所以總速度為 4 Gb/s(上、下傳都一樣)，子載波數為 16。

在正交分頻多工類比訊號產生後，會由類比轉數位轉換器(analog to digital converter)轉換成數位訊號，再由電吸收調變器(electro-absorption modulator)將訊

號載入到載波。載上訊號的載波將經由光纖傳輸 100 公里到目的地(局端或使用 者)的接收器接收，而在傳輸的路徑上有裝置了摻鉺光纖放大器以放大訊號。接 收後的數位訊號會先由數位轉類比轉換器(digital to analog converter)換回類比訊 號並經過數學處理，最後經過處理的訊號由正交幅度調變偵測器(decoder)分析訊 號，而這個架構光網絡單元的分流比可以達到256。

2.5 DTU/ TUe 的架構構[10]

這架構構是被 Technical University of Denmark/ Eindhoven University of Technology 所提出，見圖 2.5，在這個架構只提及了上傳的傳輸速度為 7.5 Gb/s。

架構中上傳的光源(使用的雷射為分佈回授式雷射二極體(distributed feedback laser diode), 1553.3 nm)放置在區域交換(local exchange)，區域交換的載波經 7.5

公里的下降光纖傳送到達光網絡單元。在光網絡單元用一包含了接收器以及反射 式半導體光放大器-電吸收調變器(R-SOA-EAM)的晶片，調變的方式為直調。而 區域交換和核心節點(core node)之間則有 80 公里的光纖 (接駁光纖)，核心節點 包含了分佈式光纖拉曼放大(Raman distributed fiber amplification)以補償訊號在 光纖傳輸的損失。

2.6 Siemens[11]

Siemens 提出的架構如圖 2.6，下傳的速度為 10 Gb/s，而上傳的速度為 2.5

Gb/s，而上、下傳使用不同波長的光源作為載波。在這個架構裡有一個較新的裝 置稱為城域接入點(metro access point)，光線路終端器中發送器(optical line termination)的訊號經 75 公里光纖後會到城域接入點，而城域接入點裡的光濾波 器(optical filter)將特定波長的下傳訊號從分波長多工訊號裡濾出，隨後經由摻鉺 光纖放大器放大訊號往後面的1：8 分流器傳送，每一個分流經過下降光纖傳輸 後的光網絡單元分流比可支援到64，所以全部的分流比為 512。

上傳訊號經過下降光纖到城域接入點後，會先由摻鉺光纖放大器放大訊號，

再由光下降濾波器濾出並經過突發式轉頻器(burst-mode transponder)，突發式轉

頻 器 是 由 雪 崩 光 二 極 體(avalanche photodiode) 、 突 發 式 接 收 器 (burst-mode receiver)、時脈和資料恢復(clock-and-data recovery)、和一個直調的分佈回授式雷 射二極體所組成。並經由接駁光纖 (75 公里)送到光線路終端器中發送器。

2.7 SARDANA [12]

SARDANA 的全名是 Scalable Advanced Ring-based passive Dense Access Network Architecture，它是歐盟的第七期計畫(7th Framework Program project)。

SARDANA 的架構如圖 2.7，它是一載波分配的架構。架構中的主體是由一個局 端和數個遠處節點(remote node)所組成的雙光纖(double-fiber)的分波長多工環 (WDM ring)，而這樣的架構除了包含了網路保護(network protection)的功能之外 (分波長多工環的功效)，也包含減低雷利背向散射雜訊的干擾的功能(雙光纖)。

每個時域多工被動式光纖網路都使用兩個波長，分別作為上、下傳的波長，每個 波長的光網絡單元分流比固定為 32。光網絡單元的上傳訊號是由中央光源傳送 到光網絡單元後由反射式半導體光放大器做直接調變(direct modulation)。

當下傳的速度為 10Gb/s 而分波長多工環的長度為 100 公里時，可以提供給 512 光網絡單元(16 波長 x 32 分流)使用，也就是可以支援 16 個遠處節點。而

當分波長多工環的長度為50 公里時，可以支援 1024 光網絡單元(32 波長 x 32 分流)。當光網絡單元固定為 1024、反射式半導體光放大器上傳的速度為 2.5 Gb/s 時，分波長多工環的長度可達 50 公里；而在上傳速度為 1.25 Gb/s，分波長多工 環的長度可達100 公里。

圖2.1 BT 提出的架構圖[5]

圖2.2(a) PIEMAN 所提出架構圖[6]，上傳光源為可調式雷射

圖2.2(b) PIEMAN 所提出架構圖[7]，為一載波分配被動式光纖網路

圖2.3 AT&T 提出的架構圖[8]

圖2.4 OFDM PON 的架構圖[9]

圖2.5 DTU/TUe 提出的架構 [10]

圖2.6 Siemens 提出的架構圖[11]

圖2.7 SARDANA 提出的架構圖[12]

第 三 章 理 論

本章節將介紹我們在長距離光纖網路的架構實驗中用來產生載波抑制單邊 帶不歸零(carrier-suppressed single-sideband non-return-zero)訊號的方法，這個分 法適用來減少雷利背向散射雜訊的干擾，並藉由數學上的推導過程作為輔助加以 了解其原理。

3.1 載波抑制單邊帶不歸零

圖3.1 是我們在實驗上產生載波抑制單邊帶不歸零訊號的架構，在這個架構 所使用的調變器為一個頻寬 12 GHz 的雙平行馬赫曾德爾調變器(dual-parallel Mach-Zehnder modulator)，訊號的速度為 2.5 Gb/s。實驗過程中，我們將基頻 (baseband)的 2.5 Gb/s 不歸零(non-return-zero)訊號經由射頻(radio-frequency)混合 器(mixer)上載至頻率為 10 GHz 的弦波訊號(fs=10 GHz)，之後將此訊號用 Y 型分 流器分成兩路，並使其相位差為90°。這兩路分別載入至 2 個 bias tee 的交流輸 入端，bias tee 的直流輸入端則各給予 Vπ的直流偏壓，並將bias tee 的輸出端各 別載入到馬赫曾德爾調變器 1(MZM1)和馬赫曾德爾調變器 2(MZM2)的輸入端。

而在馬赫曾德爾調變器3(MZM3)輸入端則給予 Vπ/2 的直流偏壓。至此，輸出的 訊號即為載波抑制單邊帶不歸零訊號。其產生過程亦可藉由數學推導做詳細解 釋。

m 為調變深度(modulation depth)。

將(3.8)式帶入(3.7)式可得：

再將(3.1)、(3.2)式帶入(3.9)式可得：

( )

當貝索函數(Bessel function)的階數高於 4 階時，貝索函數的數值相對於低階(≦

3)部份可視為足夠小並可忽略，因此(3.10)式可簡化成：

[ ]

將(3.3)、(3.4)式代入(3.16)式，可得：

[

] (

)

[ ]

頻譜示意圖如圖3.2(f)。同樣的，我們在馬赫曾德爾調變器 2 也給予 Vπ的直流偏 壓，因此下路的相位也要再位移π，如圖3.2(g)。將圖 3.2(e)和 3.2(g)相疊加即為 馬赫曾德爾調變器2 的輸出頻譜示意圖，如圖 3.2(h)。

最後，馬赫曾德爾調變器1 和馬赫曾德爾調變器 2 的輸出電場會經由馬赫曾 德爾調變器3 做最後的調變。在馬赫曾德爾調變器 3 上有外加 Vπ/2 的直流偏壓，

所以在馬赫曾德爾調變器2 的輸出端其相位要再偏移 π/2，如圖 3.2(i)。最後，經 由雙平行馬赫曾德爾調變器調變後的輸出訊號即由圖3.2(d)和 3.2(i)相疊加而 成，如圖3.2(j)。圖 3.3 為實驗所實際量測得的頻譜示意圖(示波器的解析度為 0.01nm)。圖 3.3 的長虛線是中央光源，實線是載波抑制單邊帶不歸零，而短虛 線是載波抑制雙邊帶不歸零(carrier-suppressed double-sideband non-return-zero)訊 號，從圖3.3 可以看出載波抑制單邊帶不歸零訊號比原本中央光源所在的頻率大

所以在馬赫曾德爾調變器2 的輸出端其相位要再偏移 π/2，如圖 3.2(i)。最後，經 由雙平行馬赫曾德爾調變器調變後的輸出訊號即由圖3.2(d)和 3.2(i)相疊加而 成，如圖3.2(j)。圖 3.3 為實驗所實際量測得的頻譜示意圖(示波器的解析度為 0.01nm)。圖 3.3 的長虛線是中央光源，實線是載波抑制單邊帶不歸零，而短虛 線是載波抑制雙邊帶不歸零(carrier-suppressed double-sideband non-return-zero)訊 號，從圖3.3 可以看出載波抑制單邊帶不歸零訊號比原本中央光源所在的頻率大