耐高電壓之磷化鎵發光二極體之研究

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(1)誌謝本論文得以完成，首先要感謝的是指導老師陳永光博士，在光通信觀念上的悉心指導，使學生能進入光通信的領域，也感謝他在兩年來所安排的一切訓練和實驗機會，在研究、生活等各方面的照顧，以及在論文撰寫修改上的耐心與建議。另外要特別感謝的是中華電信研究所線路室李建仲先生，在基本觀念、理論模擬、實驗操作上的協助，使我能順利完成此論文。還要感謝涂元光主任、蔡福源先生、吳嘉憲先生、王志益先生，曾松齡先生、廖虹惠小姐在儀器及場地的借用上給予許多的協助。感謝我的三舅金重志先生與舅媽何慧玉女士對我在高雄生活上的照料。另外，也感謝李琪旻同學與胡至仁同學在艱辛時刻給我的協助與鼓勵。最後，要感謝的是我的父親黃芳坤先生與母親金素珠女士對我的全力支持，使我能無後顧之憂完成碩士學位，感謝您們。黃喬正謹誌于中山大學光通信實驗室. I.

(2) 中文摘要在本論文中，我們首次提出以相位強度轉換作傳輸的外部調變光通信架構。我們描述了相位強度轉換的基本原理，以及此種系統中會引入的雜訊，包括雷射光源雜訊和摻鉺光纖放大器的雜訊的分析，並安排實驗探討在相位強度轉換傳輸理論中各種變量對系統性能的影響，這些變量包括光源線寬、相位調變深度、色散元件的色散量大小及摻鉺光纖放大器的使用。最後我們在 10 公里單模光纖中成功的完成了對 AM-VSB 類比信號進行強度調變和對 QAM 數位信號進行相位調變的系統實驗，在接收端我們採用了頻擾式光纖光柵元件對 QAM 信號進行相位強度轉換，其中 AM-VSB 類比信號之載波雜訊比 CNR 可達 57~61 dB，而 QAM 數位信號之誤碼率 BER 為 6.8×10-9。因此，同時進行強度調變與相位調變之相位強度轉換傳輸方式確實可行，而系統應用上，這種相位強度轉換傳輸之技術可應用在光的加密解密系統。. II.

(3) Abstract In this thesis, we present the phase-intensity conversion transmission method for the first time. We analyze phase-intensity conversion theory, laser diode noise, and EDFA noise. By experiment, we investigate the impact of the parameters in phase-intensity conversion such as light source linewidth, phase modulation index, dispersion magnitude, and EDFA on the system performance. We successfully demonstrated simultaneous transmission of one AM-VSB channel through intensity modulation and one QAM channel through phase modulation over 10 km single mode fiber using LiNbO3 external modulator. The system performance with CNR of 57~61 dB for the AM-VSB channel and BER of 6.8×10-9 for the QAM channel can be achieved. The demonstration and the experimental results confirm the feasibility of phase-intensity conversion techniques. Potentially, the phase-intensity conversion transmission method could be applied on optical encryption and decryption systems.. III.

(4) 內容目錄誌謝 ................................................................................................................................ I 中文摘要....................................................................................................................... II Abstract ........................................................................................................................III 內容目錄......................................................................................................................IV 圖表目錄....................................................................................................................... V 第一章序論..................................................................................................................1 1.1 研究動機與背景.............................................................................................1 1.2 論文結構論文架構.........................................................................................1 第二章理論分析..........................................................................................................2 2.1 相位強度轉換(Phase-Intensity Conversion)理論說明..................................2 2.2 雷射光源雜訊(LD noise) ...............................................................................6 2.3 EDFA 相位雜訊(EDFA phase noise) ..............................................................9 2.4 討論...............................................................................................................10 第三章實驗結果與討論............................................................................................11 3.1 色散量測.......................................................................................................11 3.1.1 相位參數量測法................................................................................11 3.1.2 強度參數量測法................................................................................13 3.2 相位強度轉換傳輸之實驗...........................................................................15 3.2.1 光源線寬與系統性能之關係............................................................15 3.2.2 調變深度與系統性能之關係............................................................16 3.2.3 色散量大小與系統性能之關係........................................................17 3.2.4 EDFA 的放置與否與系統性能之關係 .............................................17 3.3 相位強度轉換傳輸系統實驗.......................................................................19 3.3.1 QAM 信號之 BER 與接收光功率之關係 ........................................19 3.3.2 QAM 與 CW 信號同時在 PM Port 傳輸時彼此的干擾 ..................20 3.3.3 CW 以 RF Port 傳輸對 PM Port QAM 信號的影響.........................21 3.4 討論...............................................................................................................22 第四章結論................................................................................................................23 參考文獻......................................................................................................................25. IV.

(5) 圖表目錄表表表表表表. 1 ..............................................................................................................................16 2 ..............................................................................................................................16 3 ..............................................................................................................................18 4 ..............................................................................................................................19 5 ..............................................................................................................................20 6 ..............................................................................................................................21. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 1 相位強度轉換信號大小對色散之關係............................................................27 2 相位調變指數 mf 與相位強度轉換信號大小之關係 .....................................28 3 線寬與相位強度轉換雜訊之關係....................................................................29 4 ASE 引發相位雜訊的相位圖(phasor diagram).................................................30 5 EDFA 之相位強度轉換雜訊..............................................................................31 6 色散量測架構(待測色散元件為 CFG) ............................................................32 7 頻擾式光纖光柵(CFG)反射頻譜 .....................................................................33 8 利用振幅調變方法所量測之 CFG 的群延遲對反射波長關係之結果..........34 9 頻率響應圖........................................................................................................35 10 一般式光纖光柵的穿透頻譜及 delay 量關係...............................................36 11 Uniform Fiber Grating 色散量測及反射頻譜 .................................................37 12 Uniform Fiber Grating 反射頻譜及轉換信號位準 .........................................38 13 色散元件串接以觀察相位強度轉換之實驗架構 .........................................39 14 色散量大小與轉換信號位準之關係..............................................................40 15 光源線寬對相位強度轉換性能影響之實驗裝置 .........................................41 16 EDFA 的放置與否與系統性能之關係 ...........................................................42 17 QAM 信號之相位強度轉換實驗裝置 ............................................................43 18 QAM 與 CW 信號同時在 PM Port 傳輸時彼此的干擾實驗架構 ...............44 19 CW 以 RF Port 傳輸對 PM Port QAM 信號的影響實驗架構.......................45 20 相位強度轉換傳輸技術應用於加密解密之說明 .........................................46. V.

(6) 第一章序論 1研究背景與動機. 1.1 研究動機與背景一般光通信系統，不管是直接調變 (direct modulation)或是外接調變 (external modulation) 系統，都是將要傳輸的信號對光作強度調變 (intensity modulation)。而光纖中的色散往往限制了這一類系統傳輸的速率以及最大距離。因此，我們希望能將色散這個不利的因素轉換為對傳輸有利的因素。另外，因為光在作相位調變時，其光的強度量並不隨時間而變，因此，在光纖中傳送相位調變的光信號並不會有自我相位調變(self phase modulation, SPM)的非線性效應[1]。再加上作相位調變的光可抑制在傳輸過程中的激發布里昂散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)非線性效應[2]。在許多的研究報告中提到[3,4,5,6,7,8 ]，光的相位雜訊(phase noise)經過色散物質(dispersive medium)之後，會轉換為光的強度雜訊(intensity noise)，這個現象稱為相位強度轉換(phase-intensity conversion)。目前的研究報導都只是以雜訊作為討論重點，討論光的相位雜訊轉換為光的強度雜訊的過程，並沒有任何的研究在探討特別產生光的相位信號透過色散物質轉換機制來傳送，並轉換為光的強度信號接收。在本論文中，我們首次討論利用光的相位調變(phase modulation)信號透過特別的色散元件達到轉換為光的強度調變信號，並探討以這個轉換過程作為基礎的傳輸架構之可行性。目前沒有任何研究報告探討以相位強度轉換作為傳輸的方式，因此，本篇論文是世界上首次探討以這種轉換過程來傳輸信號的研究。. 1.2 論文結構論文架構論文分為四章，第一章為序論，介紹研究動機與論文結構。第二章為理論分析，介紹相位強度轉換之理論，還有雷射光源及摻鉺光纖放大器 (EDFA)的雜訊理論。第三章為實驗結果與討論，除了以實驗方式驗證第二章理論之外，還展示了以相位強度轉換作為基礎的傳輸方式。第四章為結論，將理論及實驗作總結，並討論未來的研究方向及可能的應用。. 1.

(7) 第二章理論分析 2. 本章所要說明的是論文實驗的整個理論基礎，以下將分節討論相位強度轉換、雷射光源雜訊，以及摻鉺光纖放大器雜訊。. 2.1 相位強度轉換(Phase-Intensity Conversion)理論說明一般關於在單模光纖傳輸中的相位強度轉換 (Phase-Intensity Conversion)的理論，已經有許多的研究探討[3,4,5,6,7,8]。這些研究探討的重點，是相位雜訊(phase noise)經過色散元件(dispersive medium)之後，會轉換產生強度的雜訊(intensity noise)。而在此，我們把探討的重點放在相位信號經過色散元件之後，轉換成強度信號而不是雜訊的關係。首先，假設有一經相位調變的光信號，其電場之數學表示式為：. [. ]. e = 2 cos ω 0t + m f sin (ω mt ). (2-1) 其中，ù0 為光頻率，ùm 為相位調變信號頻率，mf 為相位調變指數。(2-1) 可拆為兩項：. [. ]. [. ]. e = 2 cos m f sin (ω mt ) cos(ω 0t ) + 2 sin m f sin (ω mt ) sin (ω 0t ) = e1 − e2. (2-2) 其中，e1 為偶函數，可展開為富利葉級數(Fourier series)：. [. ]. e1 = 2 cos m f sin (ω mt ) cos(ω 0t ) ∞. = ∑ ai cos(iω mt ) 2 cos(ω 0t ) i =0. =. 1 ∞ ∑ ai [cos(ω0t + iω mt ) + cos(ω 0t − iω mt )] 2 i =0. (2-3). 同樣的，e2 也可寫為： 2.

(8) [. ]. e2 = 2 sin m f sin (ω mt ) sin (ω 0t ) ∞. = ∑ bi sin ( jω mt ) 2 sin (ω 0t ) j =1. −1 ∞ ∑ b j [cos(ω0t + iω mt ) − cos(ω0t − iω mt )] 2 j =1. =. (2-4) (2-4)中的 ai-、bj 分別為： a0 =. 1 2π. π. ∫ cos[m. f. ]. sin (ω mt ) d (ω mt ). −π. (2-5) ai =. π. [. ]. 1 cos m f sin (ω mt ) ⋅ cos(iω mt )d (ω mt ) i = 1,2,3... π −∫π. (2-6) bj =. π. [. ]. 1 sin m f sin (ω mt ) ⋅ sin ( jω mt )d (ω mt ) π −∫π. j = 1,2,3.... (2-7) 考慮傳輸過程中的色散效應，還需要引入一個相位常數(phase constant) â，並將 â 對 ù0 作泰勒級數(Tayler’s series)展開： β (ω ) = β 0 + β 0′ (ω − ω 0 ) +. 1 1 2 3 β 0′′(ω − ω 0 ) + β 0′′′(ω − ω 0 ) + ⋅ ⋅ ⋅ 2 6. (2-8) 其中，â0 為 phase delay，â0’為 group delay，â0’’為第一階 dispersion (delay)， â0’’’為第二階 dispersion (delay)。對於在頻率為 ù0 ± ùm 的諧波項，âz 可表為： 1 1 ′ m3 z + ⋅ ⋅ ⋅ β 0′′ω m2 z ± β 0′′ω 2 6 = ϕ 0 ± ϕ1 + ϕ 2 ± ϕ 3 + ⋅ ⋅ ⋅. βz = β 0 z ± β 0′ω m z +. (2-9) 同樣的，若諧波項頻率為 ù0 ± qùm，âz 可表為：. 3.

(9) βz = β z ± β 0′ (qω m )z +. 1 1 2 3 β 0′′(qω m ) z ± β 0′′′(qω m ) + ⋅ ⋅ ⋅ 2 6 2 3 = ϕ 0 ± qϕ1 + q ϕ 2 ± q ϕ 3 + ⋅ ⋅ ⋅. (2-10) 在接收端要做檢測時，接收器(receiver)會將光信號轉換為電流信號，此檢測光電流與光信號電場強度平方成正比，因此，光電流信號可表示為：. ( ). ∞. e = a02 + 2a0 ∑ ai cos i 2ϕ 2 cos[i (ω mt − ϕ1 )] 2. i =1. [(. ) ]. [(. ) ]. 1 ∞ ∞ + ∑∑ (ai a j − bib j )cos i 2 − j 2 ϕ 2 ⋅ cos[(i + j )(ω mt − ϕ1 )] 2 i =1 j =1 +. 1 ∞ ∞ (ai a j + bib j )cos i 2 − j 2 ϕ 2 ⋅ cos[(i − j )(ω mt − ϕ1 )] ∑∑ 2 i =1 j =1 ∞. ∞. [(. ) ]. [(. ) ]. − ∑∑ aib j sin i 2 − j 2 ϕ 2 ⋅ sin[(i + j )(ω mt − ϕ1 )] i = o j =1 ∞. ∞. + ∑∑ aib j sin i 2 − j 2 ϕ 2 ⋅ sin [(i − j )(ω mt − ϕ1 )] i = 0 j =1. ∞. = C0 + ∑ Ck cos(kω mt − kϕ1 + θ k ) k =1. (2-11) 其中，ö2 為第一階色散，定義如下： ϕ2. z. =. 1 β 0′′ω m2 2. (2-12) 而 Ck 及 èk 則為： Ck =. (C. 2 ck. + Csk2. ). C  θ k = arctan sk  C ck  . (2-13) 其中，Cck 及 Csk 為：. (. ). Cck = 2a0 ak cos k 2ϕ 2 + ∞. [(. [(. ) ]. + ∑ (ai ai + k + bibi + k ) ⋅ cos k 2 + 2ki ϕ 2 i =1. ) ]. 1 k −1 (ai ak − i − bibk − i ) ⋅ cos k 2 − 2ki ϕ 2 ∑ 2 i =1. 4.

(10) (. ). [(. k −1. ) ]. C sk = 2a 0 bk sin k 2ϕ 2 + ∑ (a i bk −i ) ⋅ sin k 2 − 2ki ϕ 2 ∞. i =1. [(. ) ]. + ∑ (a i bi + k + ai + k bi ) ⋅ sin k 2 + 2ki ϕ 2 i =1. (2-14) 在此僅考慮主模的振幅(C1)，不考慮旁模項(C2，C3 … )，因此，只需計算 Cc1 及 Cs1： C c1 = 2a0 a1 cos ϕ 2 + ∑ (ai ai +1 + bi bi +1 ) ⋅ cos[(2i + 1)ϕ 2 ] C s1 = 2a0 b1 sin ϕ 2 + ∑ (a i bi +1 + a i +1bi ) ⋅ sin [(2i + 1)ϕ 2 ]. (2-15) 再依照(2-13)的關係式，即可求得 C1。根據以上的推導，我們可得知相位強度轉換信號 C1 與色散量的關係，如圖 1所示。圖 1所表示的是相位強度轉換信號大小對色散之關係。由圖 1 可看出，相位強度轉換信號，不管是正色散或是負色散，在很大的範圍之內，與色散量都呈正相關的關係。由(2-13)亦可得知相位調變指數(mf)與轉換信號大小的關係。(2-13)指出 C1 為 Cc1 及 Cs1 兩個量的平方和再開根號，而 Cc1、Cs1 皆為包含 a、b 的函數(見(2-15))，而 a、b 兩個富利葉係數便包含了相位調變指數 mf (見(2-6)及 (2-7))。經過計算，相位調變指數與轉換信號大小之關係如圖 2所示。由圖 2我們除了可以看出當色散量越大時轉換信號越強之外，還可以看出當調變深度越深時，轉換信號也越強。. 5.

(11) 2.2 雷射光源雜訊(LD noise) 雷射光源本身有強度雜訊(intensity noise)以及相位雜訊(phase noise)。在經過色散物質後，除了原有的強度雜訊之外，相位雜訊會被色散物質轉換為強度雜訊。本節所要探討的是雷射光源經過色散物質之後，相位雜訊經色散物質轉換為強度雜訊的理論。首先，忽略光強度雜訊，雷射光源可視為一個固定強度的電場： e(t ) = e0 exp[− i (ω 0t + Φ(t ))]. (2-16) 其中，e0 為振幅、ù 0 為光頻率，而Φ(t)為雷射光源的相位雜訊。假設Φ(t) 為高斯雜訊(Gaussian noise)，並將Φ(t)展開為富利葉級數(Fourier series)： N. Φ(t ) = ∑ (an cos ω nt + bn sin ω nt ) n=0 N. = ∑ An sin (ω n + Φ n ) n=0. (2-17) 其中， 1T 2πnt an = ∫ Φ(t )cos dt T0 T bn =. 1T 2πnt Φ(t )sin dt ∫ T0 T. 2πn T 2 An = an2 + bn2. ωn =. b Φ n = tan −1 ( n. an. ). (2-18) 將(2-17)代入(2-16)，電場可展開成第一類 Bessel 函數(Bessel functions of the first kind)： e (t ) = e0. . .   ∑ ⋅ ⋅ ⋅ ∑ ∏ J ( A ) ⋅ exp− iω t + ∑ l (ω t + Φ ) ∞. l1 = −∞. ∞. N. l N = −∞ n =1. ln. n. . . 0. n. n. n. . (2-19) 6.

(12) 經過光纖傳輸之後(長度為 z)，電場為： e( z , t ) = e0 ⋅ e. −α F z. ∞. 2. ∑. ⋅⋅⋅. l1 = −∞. . .   ∑ ∏ J ( A ) ⋅ exp− iω t + ∑ l (ω t + Φ ) − k (ω )z  ∞. N. l N = −∞ n =1. ln. n. . . 0. n. n. n. . ln. . (2-20) 此光信號在接收端被轉換為光電流信號 I(t) [7]： I (t ) = Ae(t )e* (t ) = I0 ⋅. ∞. ∞. ∑ ∑ J ( A )J ( A )e. l1= −∞ m1= −∞. l1. l1. m1. − iΦ 1. 1. ∑ ∑ J ( A )J ( A)e. lN = −∞ mN = −∞ N. N. × ∏∏ e. lN. N. ⋅⋅⋅. − iΦN. mN. − iΦ jk. j =1 k =1. (2-21) 其中，A 為接收光功率轉換為光電流之轉換因子。經過計算，光電流雜訊信號在頻率為 ùn 的振幅為[7]： ∞ 1  δI (ω n ) ≈ I 0 ∑ 4 J ( An )J n +1 ( An )sin  (2n + 1)ω n2 k ′′z  2  n=0. (2-22) 將 n 設為無限大(infinity)，(2-22)即為接收光電流信號的 phase-intensity 轉換雜訊之連續頻譜。接下來，為了要計算 An 的期望值，便根據 Langevin 方程式將 An 與雷射光源電場的相位雜訊關聯在一起，則可得雷射光源在時間 t 之內，相位改變量平方的期望值ΔΦ(t)2 [7]： ∆Φ(t ). 2. =. (. ). R 1+α2 t 2I. (2-23) 其中，R 為 spontaneous rate，I 為光子數，á 為雷射光源線寬擴張因子 (linewidth broadening factor) 。將 (2-23) 作富利葉轉換，並利用修正 Schawlow-Townes 公式Δυ=R(1+á2)/(4πI) 可得雷射光源相位雜訊的功率頻譜(power spectrum)：. 7.

(13) RΦ ( f ) =. ∆ν πf 2. for 0 < f < ∞. (2-24) 根據(2-24)，相位雜訊的振幅 An 期望值可表為[7]： 1 An2 = RΦ ( f ) T →∞ T 2 lim. (2-25) 最後，可得 phase-intensity 轉換雜訊的功率頻譜密度(power spectrum density)為[7]： 1 2 N ( f ) = δI ( f ) 2 1 1  ≈ ∑ 4 J n  2  f. 2∆ν π.  1  J n +1   f  . 2∆ν π.   1  ⋅ sin  (2n + 1)(2πf )2 k ″ z   2      . 2. (2-26) (2-26)中，k 是與色散量有關的參數( k ′′ = ’’. λ2 md ；md 為色散係數，單位 2πc. 為 ps/nm•km)。有了這個關係，我們可由(2-26)得知 phase-intensity 轉換雜訊的頻率分佈，如圖 3所示。由圖 3可看出，線寬較寬的光源(實線，3 MHz) 比線寬窄的光源(400 kHz)所引發的相位強度轉換雜訊要來得多。因此，在相位強度轉換的傳輸架構之下，為了避免光源所引發的雜訊，應該使用線寬較窄的光源。. 8.

(14) 2.3 EDFA 相位雜訊(EDFA phase noise) 光放大器產生的 ASE 可表示為：EN(t)exp{iφ(t)}。其中，EN(t)及φ(t)為隨機(random)隨時變的振幅及相位。雜訊是由放大信號以及 ASE 相互疊加所造成。圖 4為 ASE 引發相位雜訊的相位圖(phasor diagram)。ASE 可分為同相分量(in-phase component)以及正交分量(quadrature component)，而同相分量表示振幅雜訊，正交分量表示相位雜訊。δφ(t)為 ASE 引發的相位雜訊，Esout 為放大光信號的振幅，EN(t)為 ASE 的振幅，而 E1、E2 為 EN(t)之同相分量以及正交分量，φ(t)為隨機相位角(random phase angle)，E(t)為總輸出的振幅。經過數學推導，可得到自發性幅射(spontaneous emission)所引發的相位偏差 (phase deviation)為[9]： ∆φ =. n sp hνB0 (G − 1) 2GPsin. (2-27) 假設輸入摻鉺光纖放大器之光信號為 Lorentzian 譜線，半高全寬(FWHM) 為δνs，則可得到等效頻譜拓寬量δν(equivalent linewidth broadening)為[9]： δν =. nsp2 hν∆ν s (G − 1) 4πGPsin. ⋅ ∆ν s. (2-28) 由(2-28)可知，光源線寬越寬，則因 EDFA 的 ASE 相位雜訊所引起的頻譜變得越寬。從圖 5可看出，即使光源線寬為 3MHz，但是，EDFA 所造成的相位雜訊，經過色散元件(在此假設 D = 1500 ps/nm)轉換後，其雜訊量並不大。. 9.

(15) 2.4 討論從2.1節到2.3節，我們介紹了相位強度轉換(Phase-Intensity Conversion) 理論說明、雷射光源雜訊(LD noise)EDFA 相位雜訊(EDFA phase noise)。由這些理論分析我們所得知的結論有以下幾點： 1. 不管色散元件是正色散或者是負色散，只要色散量值越大，相位強度轉換的效果也就越明顯。[2.1節] 2. 在相位強度轉換傳輸的架構中，調變深度越大，則相位強度轉換效果越明顯。[2.1節] 3. 線寬越寬的光源所引起的相位強度轉換雜訊越大，因此，為了減少傳輸過程中光源所引發的雜訊，應該選用線寬較窄的光源。[2.2節] 4. 在相位強度轉換傳輸的架構中，摻鉺光纖放大器之相位雜訊，經過色散物質轉換為強度雜訊的量值不大。[2.3節] 對於相位強度轉換信號的品質，我們可以用載波雜訊比(carrier to noise ratio, CNR)來描述： C carrier level C = = N noise terms N light source + N EDFA ,int ensity + N EDFA , phase. (2-29) 在雜訊項中，摻鉺光纖放大器的雜訊來源有強度雜訊及相位雜訊，但是我們知道摻鉺光纖放大器的相位雜訊轉換為強度雜訊的量很小，因此，我們在作雜訊的計算時，還必需考慮摻鉺光纖放大器的強度雜訊。而摻鉺光纖放大器強度雜訊量則包括了信號散彈雜訊(signal shot noise)、放大性自發輻射散彈雜訊(ASE shot noise)、信號與自發輻射拍差雜訊(signal-spontaneous beat noise)、及自發輻射與自發輻射拍差雜訊(spontaneous-spontaneous beat noise)[13] 。. 10.

(16) 第三章實驗結果與討論 3. 本章將分為三部份，依序討論色散量測、相位強度轉換傳輸之實驗及系統實驗。. 3.1 色散量測由於色散量關係到信號轉換的強弱大小，因此在本實驗中，必須要測量色散元件的色散量。以下將介紹兩種色散的量測方式[10、11]。. 3.1.1 相位參數量測法本方法是很直接的，利用振幅調變的方式量出色散值。量測架構如圖 6 所示。量測架構中，光源為一可調式光源，經過外調器將光作強度調變 (intensity modulation)，調變信號為網路分析儀(HP 8753D)所產生的掃頻信號(swept signal，由 700 MHz 到 730 MHz)。強度調變的光經過待測色散物質之後，經過 O/E 轉換(HP 70810A 及 HP70904A)後，將光信號轉換為電信號，再將此電信號送回網路分析儀，作 S21 相位參數的量測。經過外調器作強度調變(intensity modulation)的光，其電場可表示為： ei (t ) = A0 {1 + k cos( pt + θ )}cos ω c t =. A0 [2 cos ω c t + k cos{(ω c + p )t + θ } + k cos{(ω c − p )t − θ }] 2. (3-1) 其中，A0 為電場之振幅、p 為調變角頻率、k 為調變指數、è 為相位常數、 ù c 為光角頻率。由(3-1)可看出，經強度調變的光除了原本的光頻率之外，還有 ù c+p 及 ù c-p 的諧波項，因此，經過一段光纖後，此三個頻率與光纖轉移函數 Y(ù)的關係為： Y (ω c ) = Y0 exp( jϕ 0 ). Y (ω + p ) = Y (ω c ) y + p exp( jϕ + p ). Y (ω c − p ) = Y (ω c ) y − p exp( jϕ − p ). (3-2) 11.

(17) 由(3-1)及(3-2)可知，調變光經過光纖傳輸之後，電場可表為： e0 (t ) =. A0 {2Y(ω c )cosω ct + kY (ω c + p )cos[(ω c + p ) t + θ ] + kY (ω c − p )cos[(ω c − p ) t − θ ]} 2. (3-3) 在此，假設調變指數很小，則(3-3)可表為： ed (t ) = y + p cos( pt + θ + φ + p ) + y − p cos( pt + θ + φ − p ). (3-4) 在(3-4)中，p 遠小於ωc，因此，在 ù c – p 到 ù c + p 的頻率範圍之內，我們可以作以下的近似： y+p ≈ y-p=y ö+p ≈ pô(ùc) ö-p ≈ - pô(ùc) (3-5) 將(3-5)代入(3-4)，可得： ed (t ) = y ⋅ cos{pt + pτ (ω c ) + θ }. (3-6) 由(3-6)可知，連續的改變雷射光源的波長，可以由測量 pô(ùc)相位差這個參數量，直接求得 group delay。求得 group delay 之後，便可由 group delay 與色散的關係，得到光纖的色散量。雖然在上述的原理推導中，我們用光纖當作色散物質，但在實驗時，我們使用頻擾式光纖光柵(Chirp Fiber Grating)作為色散物質。CFG 的反射頻譜如圖 7所示，實驗結果如圖 8所示，經過計算， 179000 − 178200 ( ps ) 1553.962 − 1553.455 (nm ). 頻擾式光纖光柵之色散量為 1500 ps/nm。. 12.

(18) 3.1.2 強度參數量測法本方法[11]在架構上與方法一類似，是直接使用量測色散的機架型儀器來作量測，包含了一個 HP 8703 網路分析儀(0.132 到 20 GHz)、 LiNbO3 外調器(20 GHz)、光源、光接收器。兩個方法所測量的都是頻率響應，但前一個方法所測的是相位參數，而本方法所測的是強度參數。所量測出來的頻率響應圖型如圖 9所示。圖 9中，響應曲線凹陷處的頻率與色散的關係為[11]： 1  n − ⋅c 2 D ⋅ L =  2 2 λ ⋅ fn. (3-7) 由圖 9及(3-7)可知，f1 = 6.484 GHz、f2 = 11.060 GHz、f3 = 14.476 GHz、f4 = 17.029 GHz、f5 = 19.304 GHz，因此 D⋅L 分別為 1480 ps/nm、 1526 ps/nm、1484 ps/nm、1502 ps/nm、1503 ps/nm。平均值為 1499 ps/nm。. 使用上述兩種方法量測完頻擾式光纖光柵之後，我們希望能量測一般光纖光柵 (Standard Fiber Grating) ，因為在 phase-intensity conversion 理論中，我們知道轉換信號的大小與色散量的大小呈線性正相關，因此為了驗證這個關係，我們希望能找到一種讓色散量慢慢增加的機制，透過這個機制來觀察轉換信號的大小與色散量之間的關係。我們知道色散在一般式光纖光柵反射頻帶的邊緣地帶，其 group delay 量是呈線性增加的關係[12]，如圖 10所示。由圖 10可知，在一般式光纖光柵反射頻段的邊緣可得到一個色散量漸增的機制。因此，使用方法一來測量一般式光纖光柵，所測得的關係圖如圖 11所示。接下來量測波長和轉換信號位準的關係，量測結果如圖 12所示。由圖 11及圖 12可發現，在轉換信號位準最高的波長，該波長的色散量卻很小。這個現象的原因，是因為轉換信號最高的波長，恰好是反射頻譜 3 dB down 的地方，也就是說，在此波長附近，每一個波長所感應的光損失並不相同。而光信號是作相位調變，等效上就是一個頻率 13.

(19) 調變，因此，這個光信號的波長(頻率)會隨著調變信號而改變。當光信號波長改變時，所對應的光損失就改變，亦即光信號的強度改變了。所以，我們在這邊所看到的，的確是一個 phase-Intensity 的轉換，但是轉換的機制是因為光損失，而不是色散。因此，使一般光纖光柵的反射頻帶邊緣操作並不能驗證我們的理論實驗。. 14.

(20) 3.2 相位強度轉換傳輸之實驗在 3.1 節說明了量測色散的方法之後，得到一個結論，就是想要在一般型的光纖光柵的反射頻譜邊緣部份得到漸增的色散量是無法達到我們預期的目標。另外，又由於第二章所所討論到的相位強度轉換的理論，並沒有將傳輸過程中的損耗考慮進去，而頻擾式光纖光柵的長度不長，因此在頻擾式光纖光柵中傳輸時所遭遇到的損耗很小，所以，使用頻擾式光纖光柵來作為相位強度轉換實驗的色散物質較符合理論估計。基於以上兩點原因，在以下的理論驗證之實驗和系統實驗，我們就固定的使用頻擾式光纖光柵(CFG)來作為實驗所需的色散元件。以下將依序來探討光源線寬(Δν)、調變深度(mf)、色散量大小(D)、以及 EDFA 的放置與否這四種情況對系統性能之影響。. 3.2.1 光源線寬與系統性能之關係實驗裝置如圖 15所示。架構中，光源為線寬 400 kHz 的外腔可調式單縱模(SLM)雷射光源。光信號首先先經過摻鉺光纖放大器(EDFA)，將光信號放大之後，經過極化控制器(polarization controller)將調整光的極化態，使光能耦合進入外調器(external modulator)。信號產生器(Marconi Instruments, 10 KHz – 1.35 GHz Signal Generator 2030)進入相位調變埠(phase modulation port, PM port)的 745.25 MHz single tone 信號位準為 745.25 MHz、6.6 dBm，外調器透過此 single tone unmodulate 信號對光作相位調變。架構中加入 EDFA 的原因，主要是為了克服外調器的光功率損失，因為 SLM laser 之最大光功率輸出僅有 0 dBm，而外調器的損耗約有 10 dB。此相位調變的光信號經過色散元件(頻擾式光纖光柵，CFG)之後，會產生相位強度轉換 (phase-intensity conversion)，將相位調變的光信號轉換為強度調變的光信號。在接收端，則由接收器將光的強度調變信號轉換為光電流作檢測；接收器前的光功率為-1.8 dBm。為了比較線寬參數在相位強度轉換中所造成的影響，接下來則採用光源線寬為 3 MHz 之 DFB LD，並將兩者的實驗結果進行比較。由於所要觀察的變數為光源線寬，因此只能改變實驗架構的光源線寬變數，其餘系統參數不能改變。由於 DFB LD 的最大輸出功率可達 13 dBm(SLM 光源線寬為 400 kHz，最大輸出光功率為 0 dBm)。因此，我們將光源輸出經過衰減 15.

(21) 器讓光功率衰減至 0 dBm，再輸入 EDFA。實驗結果如表 1所示。表 1 Carrier Level (dBmV). CNR (dB). @745.25 MHz. @745.25 MHz. Δõ= 400 kHz. 24.8. 51.6. Δõ=3 MHz. 18.8. 31.0. 光源線寬. 在此我們可以很明顯的看出來，使用較小線寬的光源所得到的雜訊位準較低，而且，轉換信號的位準也較高。這些結果和第二章之理論預測相符合。. 3.2.2 調變深度與系統性能之關係接下來我們改變進入相位調變埠的調變信號大小，以等效改變相位調變深度。實驗架構與前面相同，而光源採用Δν = 400 kHz 的 DFB-LD，且這時接收光功率為 0 dBm (在前面的光源線寬實驗中 PRX 為 –1.8 dBm)。我們改變信號產生器的輸出信號大小，觀察在接收端所接收到的相位強度轉換信號大小。實驗結果如表 3-2 所示。表 2 Input Power (dBm)@PM Port Detected Signal Level (dBmV) -10 3 0 12 10 21 13 24 由上表可以看出，檢測信號位準隨著相位調變埠入力信號位準的增加而增加。因此，若要得到較高的相位振幅轉換之後信號位準，則進入相位調變埠的信號越大越好。. 16.

(22) 3.2.3 色散量大小與系統性能之關係理想上，如果僅僅改變色散量大小而沒有改變其它因素來作系統實驗，是最好的狀況。然而，我們由色散量測一節中得到的結論是，我們並無法得到一個這樣子的機制來實驗。因此，在這一段的討論中，我們退而求其次，利用串接不同的色散元件來增加色散量(色散量會累加，但是光損失也隨著累積)，來進行實驗。我們選擇三種色散物質，色散量分別為 341 ps/nm 的色散補償光纖(DCF 1)、1021 ps/nm 的色散補償光纖(DCF 2)及 1500 ps/nm 的頻擾式光纖光柵 (CFG)。將三種不同色散量的色散物質以單獨使用，或是以組合的方式，可得到不同色散量的組合。實驗架構如圖 13所示。量測系統光源選用可調式光源(∆ν = 400 kHz)。由於外調器之後我們並沒有加入 EDFA 作光放大，而我們又希望能將接收機之接收光功率控制在 –1 dBm 以上，因此我們只試 1 341 ps/nm 的色散補償光纖 (DCF 1)、○ 2 1021 了五種色散量，分別為：○ 3 1500 ps/nm 的頻擾式光纖光柵(CFG)、○ 4 ps/nm 的色散補償光纖(DCF 2)、○ 5 1500 1500 ps/nm 的頻擾式光纖光柵(CFG)串接 341 ps/nm 色散補償光纖、○ ps/nm 的頻擾式光纖光柵(CFG)串接 1021 ps/nm 的色散補償光纖(DCF 2)。實驗結果如圖 14所示。由圖 14我們可以看出，隨著色散量的增加，相位強度轉換的效應就越強，這一點和理論相符合。. 3.2.4 EDFA 的放置與否與系統性能之關係一般而言在傳輸過程中加入摻鉺光纖放大器 EDFA 時都會引入額外的 ASE 雜訊。因此，在這一段的討論中，我們將觀察加入摻鉺光纖放大器 EDFA 對系統性能之影響。量測裝置如圖 16所示。在這一段的量測中，所選用的光源為 DFB LD(∆ν = 3 MHz)。由於實驗所選用的 DFB LD 最大光功率可達 13 dBm，因此在圖 16這種高損耗架構之下，可用來比對放置 EDFA 與否對系統性能的影響。如圖 16所示，DFB-LD 的輸出光功率為 13 dBm，經過極化控制器將光耦合進入外調器作相位調變(進入外調器的光功率為 11.2 dBm)。外調器的光輸出功率為 3.3 dBm，進入頻擾式光纖光柵後，進入光接收器接收(接收器所接收的光功率為-1.8 dBm) 圖 16沒有虛線部份是沒加 EDFA 的量測架構，加上 EDFA 的量測架構如圖 16加上虛線部份所示。這個架構從 DFB-LD 光源輸出光功率到外調器 17.

(23) 輸出光功率，這一段的傳輸條件與沒有加 EDFA 的架構相同。在外調器之後，將光透過可調式光衰減器 (VOA, Variable Optical Attenuator) 送入 EDFA(此時，EDFA 的輸入光功率由 3.3 dBm 衰減至 0 dBm)。0 dBm 的光經過 EDFA 作光放大之後，光功率被放大至 20 dBm，送入頻擾式光纖光柵後，光功率變為 15 dBm，為了讓光接收器所接收到的光功率與沒加 EDFA 的架構相同，因此再以可調式光衰減器將光衰減至-1.8 dBm。所量測的結果如所示。表 3 Carrier Level (dBmV). CNR (dB). w/o EDFA. 13.2. 31.3. w/i EDFA. 17.7. 30.6. 由上表可看出，在沒有加 EDFA 的架構之下，雖然檢測信號位準 (13.2 dBmV) 比加上 EDFA 的架構所量測到的信號位準 (17.7 dBmV) 低，但 CNR (31.3 dB) 比加入 EDFA 的架構所量測之 CNR (30.6 dB) 來得高。這個結果也相當符合理論。在放置 EDFA 的架構，由於進入色散物質(頻擾式光纖光柵, CFG)的光功率(20 dBm)比無 EDFA 的架構(3.3 dBm)來得大，因此，相位強度轉換效應較強，轉換信號的位準也就較高。然而，加入 EDFA 增加進入色散物質(頻擾式光纖光柵)的光功率，讓轉換信號的位準提高，卻也引進了額外的雜訊。由理論可知，EDFA 在這兩種傳輸架構之下，除了有光相位雜訊會被色散物質(頻擾式光纖光柵)轉換成光強度雜訊之外，還有與色散轉換無關，即 EDFA 自身引發的光強度雜訊。雖然 EDFA 的光相位雜訊被轉換成光強度雜訊的量很小，但是，EDFA 本身所引發的光強度雜訊卻會在接收端造成劣化的影響，使 CNR 變差。. 18.

(24) 3.3 相位強度轉換傳輸系統實驗在探討完一些相位強度轉換傳輸的基本性質後，接下來我們將考量相位強度轉換傳輸系統在傳送信號所將遇到的問題。. 3.3.1 QAM 信號之 BER 與接收光功率之關係在開始正式討論系統實驗之前，首先要說明的是，在 3.2 節相位強度轉換傳輸理論實驗的說明中，輸入外調器相位埠(phase modulation port)的信號，是由信號產生器產生的 single tone 信號，而此 single tone 信號是一個 unmodulate 的 CW 信號，可視為 CATV AM-VSB 類比信號之載波。現今光通訊系統所使用之信號除了類比信號(如 AM-VSB)之外，還有相當多比例的數位信號(如 QAM)。因此在 3.2 節討論完 AM-VSB 類比信號在相位強度轉換傳輸系統中的基本問題之後，在本小節將觀察 QAM 數位信號在相位強度轉換傳輸系統的傳輸可行性與系統性能。實驗架構(見圖 17)與 3.2 節之實驗架構相似，在光的傳輸架構上是一樣的，所不同的是，輸入外調器之相位埠(phase modulation port)的信號源變成 QAM 信號產生器(30 Mb/s, 64-QAM)。我們發現，在接收端之接收光功率為 -6.0 dBm 時，其量測 BER 仍有 3.7×10-9 的水準。表 4 1 QAM in Phase Modulation Port. RF frequency = 747.25 MHz, RF power = 6.6 dBm. (Back-to-back BER = 5.7×10-10) 1 QAM in Phase Modulation Port Rx Power (dBm). -3.0. -5.0. -6.0. BER. 1.7×10-9. 2.9×10-9. 3.7×10-9. 19.

(25) 3.3.2 QAM 與 CW 信號同時在 PM Port 傳輸時彼此的干擾實驗架構如圖 18所示，光的傳輸架構與 3.2 節所使用的實驗架構相同。我們將 QAM 數位信號與 CW 類比信號一起輸入外調器之相位調變埠 (phase modulation port)，並將兩種信號之 RF 信號位準一同設定為 6.6 dBm。我們在此所要觀察的是兩種信號一起由外調器之相位調變埠輸入，由相位強度調變轉換系統傳輸時，兩種信號間彼此的干擾。實驗結果如表 5所示。可看出兩種信號同時以外調器之相位調變埠，對 CW 類比信號之影響較大。對 QAM 信號而言，雖然有些許的劣化，但信號品質(BER)仍可維持在 10-9 的水準。因此，由這個實驗結果我們得知，CW 信號較不適合以相位調變埠來傳輸，而 QAM 數位信號非常適合以相位調變埠來傳輸。表 5 1 CW and 1 QAM in Phase Modulation Port. CW RF Power=6.6 dBm； QAM RF Power=6.6 dBm。Back-to-back BER=6.8×10-10 1 CW and 1 QAM in Phase Modulation Port CNR (dBc) of Ch. 2 (55.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone 25.8 31. BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o CW tone w/i CW tone -9 7.1×10 7.4×10-9. CNR (dBc) of Ch. 42 (331.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone 44.0 43.5. BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o CW tone w/i CW tone -9 8.4×10 8.5×10-9. CNR (dBc) of Ch. 100 (649.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone 46.6 45.6. BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o CW tone w/i CW tone -9 9.5×10 1.0×10-8. 20.

(26) 3.3.3 CW 以 RF Port 傳輸對 PM Port QAM 信號的影響實驗架構如圖 19所示。這個架構是將 CW 類比信號以 RF 輸入埠(RF Input Port)來傳送，而 QAM 數位信號以相位調變埠(Phase Modulation Port) 來傳輸。而在光的傳輸上，則在外調器之後加上了一段 10 公里的單模光纖 (SMF, single mode fiber)，延長傳輸距離。在 10 公里單模光纖之後，則接上頻擾式光纖光柵作為相位強度轉換(phase-intensity conversion)的裝置。實驗結果如表 6所示。我們可看出，在這個傳輸架構之下，不管是 CW 類比信號或是 QAM 數位信號，幾乎不會互相干擾。而且，對 CW 類比信號而言，其 CNR 比起 3.3.2 架構的 CNR 來得好。而對 QAM 數位信號而言，所得到的結果仍然與 3.3.2 架構相同，不受 CW 信號之影響。表 6 1 CW in RF Input Port and 1 QAM in Phase Modulation Port. CW RF Power = 6.6 dBm；QAM RF Power = 6.6 dBm. Back-to-back BER = 6.8×10-10 1 CW in RF Input Port；1 QAM in Phase Modulation Port CNR (dB) of Ch. 2 (55.25 MHz) BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone w/o CW tone w/i CW tone -9 57.7 57.9 3.8×10 3.3×10-9 CNR (dB) of Ch. 42 (331.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone 59.1 59.3. BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o CW tone w/i CW tone -9 4.1×10 3.6×10-9. CNR (dB) of Ch. 100 (649.25 MHz) w/o QAM tone w/i QAM tone 61.2 61.4. BER of Ch.116 (747.25 MHz) w/o CW tone w/i CW tone -9 4.3×10 6.2×10-9. 21.

(27) 3.4 討論我們由實驗所發現的結果大約與第二章所得到的結果相符合，這些結論包括了： 1. 2. 3. 4.. 線寬越寬的光源所引發的相位強度轉換雜訊越大。[3.2.1節] 調變深度越深，相位強度轉換之信號位準越大。[3.2.2節] 色散元件的色散量越大，則相位強度轉換之信號位準越大[3.2.3節] 加上摻鉺光纖放大器會引入額外的雜訊。[3.2.4節]. 除此之外，我們由系統實驗得到了兩個重要結果： 1. QAM 數位信號較適合以相位強度轉換的架構來傳輸。 2. 最佳的傳輸方式為 AM-VSB 類比信號用外調器之 RF 輸入埠，而 QAM 數位信號用外調器之相位調變埠來傳送。在最佳傳輸架構之下，我們傳輸了 10 公里單模光纖，AM-VSB 類比信號之 CNR 可達 57~61 dB，而 QAM 數位信號之 BER 為 3.2×10-9 到 6.8×10-9。. 22.

(28) 第四章結論在本論文中，我們首次提出以相位強度轉換作傳輸的架構。我們分析了相位強度轉換的原理、雷射光源雜訊以及摻鉺光纖放大器的雜訊，並且我們藉由實驗探討在相位強度轉換傳輸理論中各種變量對系統性能的影響，包括光源線寬、相位調變深度、色散元件的色散量大小及摻鉺光纖放大器對系統性能的影響。最後，我們探討了相位強度轉換傳輸技術的可行性。從理論分析及實驗的結果，我們得到的結果是色散量越大可得到越大的相位強度轉換信號位準。為了減少轉換信號的雜訊量，在光源的選擇上，我們所選用的光源線寬越小越好；而在摻鉺光纖放大器的使用上，摻鉺光纖放大器本身除了相位雜訊之外，還有強度雜訊，因此雖然摻鉺光纖放大器的相位雜訊經過色散物質轉換的強度雜訊量不大，但是，仍然有摻鉺光纖放大器的強度雜訊需要考慮，因此，摻鉺光纖放大器的雜訊在相位強度轉換傳輸架構中，強度雜訊為劣化系統性能的主要因素。從系統的實驗結果，我們知道 QAM 數位調變信號適合以相位強度轉換的架構來作傳輸。因此，我們所得到最佳的傳輸方式為 AM-VSB 類比調變信號用外調器之 RF 輸入埠，而 QAM 數位調變信號用外調器之相位調變埠來傳送。以這種最佳傳輸方式我們傳輸了 10 公里單模光纖，AM-VSB 類比調變信號之 CNR 可達 57~61 dB，而 QAM 數位調變信號之 BER 為 3.2×10-9 到 6.8×10-9，因此，同時進行強度調變與相位調變之相位強度轉換的共同傳輸方式確實可行。目前我們只完成 AM-VSB 類比調變信號及一個 QAM 數位調變信號的傳送，還沒有進行多個 AM-VSB 類比調變信號及多個 QAM 數位調變信號同時傳送。因此未來的研究方向，不管是多頻道的 AM-VSB 類比調變信號及多頻道的 QAM 數位調變信號同時以外調器之相位調變埠傳送，或是多頻道的 AM-VSB 類比調變信號以外調器 RF 輸入埠而多頻道的 QAM 數位調變信號以相位調變埠傳送，這兩種架構都還有許多問題可以探討，例如兩種信號在各架構之下，在何種信號位準差值之下可讓信號間的干擾最小；或者不管是 AM-VSB 或是 QAM 多頻道信號在相位調變埠傳送，SBS 抑制的能力是否會增加；或者是以相位強度轉換的最大傳輸距離、WDM 系統上的應用…等這些問題都還尚待解決。. 23.

(29) 經由以上可行性的實驗結果可知，相位強度轉換傳輸技術可應用於光 1 是外調式的光傳輸架的加密解密系統，在此可用圖 20來說明。圖 20之○ 構，經過相位調變的光在傳輸一段光纖之後，在接收端作光檢測，由於傳輸過程中光纖的色散量值並不大，因此相位強度轉換效應不強，所以接收 2 的架構中，我們在傳輸過程中加上色散量為 D 的的信號品質不好。而在○ 色散元件，使傳輸過程中的色散量值(DF+D)夠大而在傳輸過程中有明顯的 3 的架構中，相位強度轉換，使接收端信號夠強而能有很好的信號品質。在○ 1 的架構下，在發射端再加上了一個色散量為-DF 的色散元件，使傳我們在○ 輸過程中的色散量為零，因此沒有相位強度轉換，在接收端完全接收不到 4 的架構為在○ 3 的加密架構之下，於接收信號，此架構即為加密過程。而○ 2 的架端加上色散量為 DF+D 的色散元件，使得在傳輸過程中的色散量與○ 構相同(DF+D)，而能在接收端得到夠好的信號品質，而此過程即為解密過程。. 24.

(30) 參考文獻 1. G. C. Wilson, T. H. Wood, “Suppression of SBS and MPI in analog systems with integrated electroabsorption modulators/DFB laser transmitters,” Tech. Dig. 1996 optical Fiber Communication Conference (OFC ’96), paper ThR1. 2. G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication System, chapter 2, John Wiley & sons, New York, 1997. 3. C. S. Ih, “Fiber induced distortions in a subcarrier multiplexed lightwave system,” IEEE J. Selected Areas in Communications, vol. 8, no. 7, pp. 1296-1299, 1990. 4. J. Wang and K. Petermann, “Small signal analysis for dispersive optical fiber communication systems,” J. Lightwave Technology, vol. 10, no. 1, pp. 96-100, 1992. 5. K. Petermann and J. Wang, “Large signal analysis of FM-AM conversion in dispersive optical fibers and its application to PCM systems, ” Electronics Letters, vol. 27, no. 25, pp. 2347-2348, 1991. 6. A. Cartaxo, “Influence of fiber nonlinearity on phase noise to intensity noise conversion in fiber transmission: theoretical and experimental analysis,“ J. Lightwave Technology, vol. 16, no. 7, pp. 1187-1194, 1998. 7. S. Yamamoto, “Analysis of laser phase noise to intensity noise conversion by chromatic dispersion in intensity modulation and direct detection optical-fiber transmission,“ J. Lightwave Technology, vol. 8, no. 11, pp. 1716-1722, 1990. 8. K. Petermann, “FM-AM conversion in dispersive singlemode fiber transmission lines,“ Electronics Letters, pp. 2097-2098, 1990 9. E. Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifiers, chapter 5, John Wiley & sons, New York, 1994. 10. S. Ryu, “Novel chromatic dispersion measurement method over continuous gigahertz tuning range,” J. Lightwave Technology, vol. 7, no. 8, pp. 1177-1180, 1989.. 25.

(31) 11. F. Devaux, “Simple measurement of fiber dispersion and of chirp parameter of intensity modulated light emitter,“ Journal of Lightwave Technology, vol. 11, no. 12, December 1993. 12. B. J. Eggleton, “Dispersion compensation using a fiber grating in transmission,“ Electronics Letters, vol. 32, no. 17, 15th August 1996. 13. W. I. Way, Broadband Hybrid/Coax Access System Technologies, chapter 6, Academic Press, 1998.. 26.

(32) 圖 1 相位強度轉換信號大小對色散之關係. 27.

(33) 圖 2 相位調變指數 mf 與相位強度轉換信號大小之關係。圖中三條曲線，空心圓(上)表示色散量為 5.0×104 (ps/nm)；實心圓表示 3.6×104 (ps/nm)；三角形表示 2.1×104 (ps/nm). 28.

(34) 圖 3 線寬與相位強度轉換雜訊之關係。實線為光源為 3 MHz 之 LD；虛線為 400 KHz 之 LD。. 29.

(35) 圖 4 ASE 引發相位雜訊的相位圖(phasor diagram). 30.

(36) 圖 5 光源線寬為 3MHz，經過 EDFA 之後，EDFA 的相位雜訊被色散物質(D = 1500 ps/nm)轉換為強度雜訊。虛線部份為光源本身的雜訊量，實線部份為 EDFA 所引入的相位雜訊，經過色散物質轉換為強度雜訊的量值大小。 31.

(37) 圖 6 色散量測架構(待測色散元件為 CFG). 32.

(38) 圖 7 頻擾式光纖光柵(CFG)反射頻譜. 33.

(39) 圖 8 利用振幅調變方法所量測之 CFG 的群延遲對反射波長關係之結果. 34.

(40) 圖 9 頻率響應圖. 35.

(41) 圖 10 一般式光纖光柵的穿透頻譜及 delay 量關係. 36.

(42) 圖 11 1554 nm Uniform Fiber Grating 色散量測及反射頻譜(實線為 group delay，虛線為反射頻譜). 37.

(43) 圖 12 1554 nm Uniform Fiber Grating 反射頻譜及轉換信號位準(實線為轉換信號位準，虛線為反射頻譜). 38.

(44) 圖 13 色散元件串接以觀察相位強度轉換之實驗架構. 39.

(45) 圖 14 色散量大小與轉換信號位準之關係. 40.

(46) 圖 15 光源線寬對相位強度轉換性能影響之實驗裝置. 41.

(47) 圖 16 EDFA 的放置與否與系統性能之關係. 42.

(48) 圖 17 QAM 信號之相位強度轉換實驗裝置. 43.

(49) 圖 18 QAM 與 CW 信號同時在 PM Port 傳輸時彼此的干擾實驗架構. 44.

(50) 圖 19 CW 以 RF Port 傳輸對 PM Port QAM 信號的影響實驗架構. 45.

(51) 圖 20 相位強度轉換傳輸技術應用於加密解密之說明. 46.

(52)