行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
不同星體光源之光速差異及相關性的量測及比較--子計畫 二：應用在無線及有線光傳輸之光訊號調制與分析(第 2
年)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-011-082-MY2
執 行 期 間 ： 101 年 08 月 01 日至 102 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系
計 畫 主 持 人 ： 李三良
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：李泰鑫 碩士班研究生-兼任助理人員：李孟儒 碩士班研究生-兼任助理人員：莊宗諺 碩士班研究生-兼任助理人員：李易倫 碩士班研究生-兼任助理人員：林黃樑 博士班研究生-兼任助理人員：Puspa 博士班研究生-兼任助理人員：Joni
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 102 年 10 月 31 日
中 文 摘 要 ： 本計畫配合總計畫的實驗需求及特有的實驗環境，建置有線 光纖與無線光線傳輸系統，並探討各項環境因素對傳輸的影 響，除了協助總計畫的光速量測外，亦可產出具學理價值的 研究成果。
對於無線光線傳輸來說，除了一般熟知水氣分子吸收及散射 外，大氣的擾動所產生的干擾可被視為是影響最大的干擾 源，這將限制了無線光傳輸的可靠度及被廣泛應用的程度。
然而，目前無線光通訊的應用大多都架設在都會區中，這樣 的條件下，就減少了對於傳輸通道的分析以及面臨惡劣氣候 的解決辦法。在本計畫中，我們設計一整套通道模型，以及 如何藉由光源調變器訊號編碼的選擇來克服氣候上的影響，
並應用光放大元件的分析步驟。我們先在校園內建立一個無 線光傳輸的測試平台，用以分析各元件在無線傳輸下的特 性，最終應用此一系統至鹿林天文台的星光量測中，以探討 在真實且長距離的傳輸中，空氣中因為水氣造成的反射及光 在空氣中的色散會如何影響系統效能。
至於在有線光傳輸的部分，我們著重於空氣中的溫度及濕度 對於光傳輸延遲的影響，此延遲對總計畫光速量測為影響精 確度的重要因素，必須同時考慮光纖傳輸效應對傳輸延遲的 影響。
中文關鍵詞： 無線光傳輸、有線光傳輸
英 文 摘 要 ： In this project, we have established both the optical fiber link and the free-space optical links to
investigate the effects of ambient conditions on the transmission performance of the two systems. The major goals are to develop the optical links for the measurement of light speed using the starlights from Lulin One-meter Telescope and to take advantages of the peculiar experimental environment for
characterizing both the wired and wireless optical links.
For wireless optical links, also called free-space optical links, the fluctuation of atmosphere is considered as a major difficulty to implement a reliable and wide-spread application, in addition to the well-known scattering and absorption from the water vapor. Most current research projects focus on the system design in urban area； and less
consideration on transmission path and system design
against from harsh climate. We designed a series of research steps, trying to model the transmission channel and overcame the weather issues by designing the light sources, devices, modulation methods, and amplification devices. Also, an initial testbed had been established on our campus to simulate a short distance free–space transmission, which can help us to obtain optimal device conditions without facing an unpredictable weather. Then we applied the link in real weather condition and long distance to evaluate the system performance. We also investigated the practical performance degradation factors, such as water vapor reflection, dispersion in air, and reflected light to the source.
For fiber links, we focused on the effects of temperature and relative humidity on the signal delay, which is very critical for the light speed measurement. The measurement of the signal delay might be affected by the other factors, such as bending, vapor leaking into the facet. We also eliminated all the uncertain factors and minimized the transmission error.
英文關鍵詞： Optical Wireless Transmission, Optical Fiber Transmission
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 □期中進度報告
█期末報告
不同星體光源之光速差異及相關性的量測及比較—
子計畫二：應用在無線及有線光傳輸之光訊號調製與分析(2/2)
計畫類別：□個別型計畫 █整合型計畫
計畫編號：NSC100－2221－E－011－082－MY2 執行期間：100 年 08 月 01 日至 102 年 07 月 31 日 執行機構及系所：國立臺灣科技大學 電子工程系
計畫主持人：李三良 教授
計畫參與人員：李泰鑫、李孟儒、李易倫、莊宗諺、
Puspa、Joni、林黃樑
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 ___ 份：
□移地研究心得報告
□出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢 中 華 民 國 102 年 10 月
目 錄
一、 計畫摘要---1
（一） 中文摘要---1
（二） 英文摘要---2
二、 研究內容與討論---3
（一） 前言---3
（二） 研究內容---3
1.傳輸通道的環境評估---3
2.實驗量測系統 – 平地單向戶外無線光通訊傳輸---6
3.實驗量測系統 – 山上單向戶外無線光通訊傳輸實測---11
4.結論---14
（三） 參 考 文 獻 - - - 1 5 （四） 計畫成果自評---15
三、 發表之論文---16
附錄一、國科會補助專題研究計畫成果報告自評表---17
附錄二、國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表---18
一、計畫摘要
(一)中文摘要
關鍵字：無線光傳輸、有線光傳輸
本計畫配合總計畫的實驗需求及特有的實驗環境，建置有線光纖與無線光線傳輸系統，並探討各 項環境因素對傳輸的影響，除了協助總計畫的光速量測外，亦可產出具學理價值的研究成果。
對於無線光線傳輸來說，除了一般熟知水氣分子吸收及散射外，大氣的擾動所產生的干擾可被視 為是影響最大的干擾源，這將限制了無線光傳輸的可靠度及被廣泛應用的程度。然而，目前無線光通 訊的應用大多都架設在都會區中，這樣的條件下，就減少了對於傳輸通道的分析以及面臨惡劣氣候的 解決辦法。在本計畫中，我們設計一整套通道模型，以及如何藉由光源調變器訊號編碼的選擇來克服 氣候上的影響，並應用光放大元件的分析步驟。我們先在校園內建立一個無線光傳輸的測試平台，用 以分析各元件在無線傳輸下的特性，最終應用此一系統至鹿林天文台的星光量測中，以探討在真實且 長距離的傳輸中，空氣中因為水氣造成的反射及光在空氣中的色散會如何影響系統效能。
至於在有線光傳輸的部分，我們著重於空氣中的溫度及濕度對於光傳輸延遲的影響，此延遲對總 計畫光速量測為影響精確度的重要因素，必須同時考慮光纖傳輸效應對傳輸延遲的影響。
(二)英文摘要
Keywords: Optical Wireless Transmission, Optical Fiber Transmission
In this project, we have established both the optical fiber link and the free-space optical links to investigate the effects of ambient conditions on the transmission performance of the two systems. The major goals are to develop the optical links for the measurement of light speed using the starlights from Lulin One-meter Telescope and to take advantages of the peculiar experimental environment for characterizing both the wired and wireless optical links.
For wireless optical links, also called free-space optical links, the fluctuation of atmosphere is considered as a major difficulty to implement a reliable and wide-spread application, in addition to the well-known scattering and absorption from the water vapor. Most current research projects focus on the system design in urban area; and less consideration on transmission path and system design against from harsh climate. We designed a series of research steps, trying to model the transmission channel and overcame the weather issues by designing the light sources, devices, modulation methods, and amplification devices. Also, an initial testbed had been established on our campus to simulate a short distance free–space transmission, which can help us to obtain optimal device conditions without facing an unpredictable weather. Then we applied the link in real weather condition and long distance to evaluate the system performance. We also investigated the practical performance degradation factors, such as water vapor reflection, dispersion in air, and reflected light to the source.
For fiber links, we focused on the effects of temperature and relative humidity on the signal delay, which is very critical for the light speed measurement. The measurement of the signal delay might be affected by the other factors, such as bending, vapor leaking into the facet. We also eliminated all the uncertain factors and minimized the transmission error.
二、研究內容與結果討論
(一)前言
無線光通訊的傳輸有著其迅速佈建的便利性及提供寬頻傳輸等優勢。目前在已開發中的國家中，
若要重新建設一新的網路架構是有著一定程度的困難存在，這勢必會造成居民在生活上的種種不便 外，更會造成施工上一些不必要的花費。因此，發展可靠的無線光通訊系統成為重要的研究課題，也 是本研究計畫的主要目的。
組成無線光通訊的主要因素不外乎為：發射端、傳輸通道、接收端。本次計畫初期先就傳輸通道 做一詳細的理論分析，這將會影響到我們設計的發射及接收端所採用的形式及所採用的光源種類。待 確認通道模型後，我們實測架設於校園內之無線光通訊傳輸系統，確認除了單向光傳輸的系統可行外，
並朝著實際上雙向傳輸的應用去發展。最後，我們選用中央大學鹿林天文台與東埔山莊之間的通道作 為傳輸環境，於此環境實測無線及有線光傳輸系統。
(二)研究內容
1.傳輸通道的環境評估
對於戶外光通訊而言，由於光對於障礙物的穿透性不佳且具有方向性的特點，因此戶外光通訊對 於其視線即發射與接收端之間之光路的淨空要求甚高。在施工時，除了能先避開肉眼可及的障礙物，
如：建築物、山及樹葉等。接下來便要考慮光在大氣中傳輸所造成的影響，也就是大氣分子對於光的 吸收、散射及大氣擾動。由文獻中得知在天氣晴朗及薄霧的情況下量測各波長對於大氣吸收的曲線圖 來看，當光波長為 1550 nm 附近時，正好座落於大氣的無吸收區域(Absorption Free)[1]，在 1520 nm 及 1600 nm 的波長時，大氣吸收的損耗更小於 0.2 dB/km[2]，由於對吸收量影響甚小的優點，再加上 1550 nm 波段的光源目前已廣泛的被應用在光纖通訊上，這樣使得在光源的選擇種類上，有著充足且穩定的 光源可供測試。
分析散射效應一相當重要的因素便是大氣分子的尺寸與所使用的光波長之間的關係，而此一關係 式(1.1)可用此式子來定義：
2 r/ (1.1) σ定義為粒子的尺寸參數(Size Parameter)，r 為粒子的半徑，λ為所傳輸的光波長。
另外對於不同的尺寸參數，我們可由下列圖 1 來表示[3]：
圖 1、不同的尺寸參數與散射效應之關係圖。
由圖 1 可得知，依照不同的大氣分子可對應至不同種類的散射，其中當大氣分子小於所傳輸之光波長 時，所產生雷利散射的影響可小於 1 dB/km。而當粒子大小等同於光波長(如霧跟霾)，此時依照米氏散 射的分析，在金氏模型(Kim Model)的近似下，可使用能見度來推估其損耗(1.2)[3]。
q
V
350 91 .
3
(1.2)
其中 V 為能見度，λ為傳輸波長，單位為 nm。而 q 則隨著能見度不同而有不同的值(1.3)：
1.6 50 1.3 6 50
0.16 0.34 1 6 0.5 0.5 1 0 0.5
V km
V km
q V km V km
V km V km
V
km
(1.3)
由此我們可以得到在能見度小於 100 m 時，其損耗甚至達到 100 dB/km，由此可看出米氏散射對於傳 輸通道的影響程度。而當大氣粒子遠大於光波長時(如雨跟雪)，我們則使用下列模型來推估(1.4)[4]：
) / ( 076 .
1 R2/3 dB km
arain (1.4)
其中 R 為每小時的降雨量。
假設每小時的降雨量為每小時 100 mm，其損耗約為 25 dB/km，雖然此一損耗為不可忽略之損耗，但 比較起因霧或霾的散射所造成的損耗，則就顯得微小許多。另一造成損耗的原因即為大氣擾動所造成 閃爍現象(Scintillation)，造成接收能量的不穩定所造成的損耗可由下列的模型推估[5]：
6 / 11 6
/ 7
9 * *
2 10 17 . 23
2 C l
arain n
(1.5)其中λ為所傳送之波長，Cn是折射係數(Refractive Index)，l 則是所傳輸的距離。
由此我們得到以傳輸光波長採用 1550 nm 的光源且傳輸距離約為 785 m 的條件下，其損耗約落在 4 dB/km 到 10 dB/km 之間。
除了考慮大氣分子對於無線光通訊的影響之外。在我們實際的應用上，對於連接鹿林天文台與東 埔山莊的有線光纖傳輸路徑也要進行分析測試，因山上氣候條件變化較大，對於在不同溫度下的影響，
我們可使用電子恆溫箱來模擬不同的溫度條件下，對於訊號傳輸的影響，詳細的量測架構圖如圖 2 所 示，在此量測架構中，我們使用一捆長度為 4 km 的標準單模光纖來量測其結果，首先使用訊號產生器 產生一頻率為 100 MHz 的方波並載送於雷射上，讓調變過後之光源分成兩路，分別進入擺放恆溫箱之 光纖及一擺放於室溫下的光纖，最後在經由接收端將兩者之訊號呈現於示波器上來比較彼此的差異。
其結果可呈現在圖 3。
圖 2、量測光纖對於溫度影響之實驗架構圖。
圖 3、溫度對於光纖傳輸的影響。
由圖 3 我們可以得知，當溫度變化為 2 度時，於 4 km 光纖內訊號延遲量約為 1 ns，這是由於溫度造成 玻璃材質的光纖熱漲冷縮再加上應力效應而影響到訊號傳輸的時間延遲。這對於將來在山區量測有線 光通訊傳輸時，往往從傍晚至凌晨的溫度變化也會達到甚至超過 2 度以上的變化，這些都將成為之後
我們實際在山區量測訊號時的重要考量因素之一。
綜合目前之討論，由於我們選定的無線光通訊傳輸波長為 1550 nm 波段，在此一條件下，大氣吸 收的影響可以忽略不計，而雷利散射所造成的些微的影響也可忽略不計，故將來量測此一系統時，僅 需考慮因霧與霾所造成的米氏散射或因雨或雪所造成的幾何散射和大氣擾動的總和。另外考慮到溫度 的變化對於有線光通訊的影響，在分析訊號上都是可以納入影響訊號準確度的因素。
2.實驗量測系統 – 平地單向戶外無線光通訊傳輸
本次實驗我們採用 8 組分佈式反饋雷射(Distributed Feedback Laser，DFB Laser)做為訊號傳輸用之 光源，其波長座落於 1537.34 nm 到 1542.82 nm，通道間隔為 0.8 nm 已符合密集分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)的規範。每一路的光源均經過極化控制器來穩定其極化方向 以利接下來的訊號調變。最後再使用陣列波導光柵(Array Waveguide Grating，AWG)進行訊號的多工處 理。我們使用馬赫-任德調變器(Mach-Zehnder Modulator)對多工後之訊號進行調變已模擬各個用戶分別 傳送資料的情形，載送的訊號則為虛擬隨機信號產生器(Pseudo-Random Pattern Generator)所產生的 NRZ(Non-Return to Zero)訊號，之後將調變過後的光經過 10 公里之單模光纖，利用光纖的色散原理 (Fiber Dispersion)讓每個通道之訊號可視為彼此獨立之訊號。之後進入一摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)進行放大，最後透過一直徑為 5 cm 的透鏡將光傳送至大氣中。實驗架構圖如圖 4 所示。
LD1
LD8
BERT
PC1
PC8
PPG
MOD
Clock Recovery
ATT
Lens1
Lens2 O/E
Converter
AWG AWG
EDFA
EDFA
圖 4、單向戶外無線光通訊之系統架構圖。
接收端部分則由一直徑為 15 cm 的透鏡將接收到的光聚焦到多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)進行耦 合，再將多模光纖轉接至單模光纖後，進入摻鉺光纖放大器將訊號放大後，再進入陣列波導光柵進行 解多工。解多工後進入可調式衰減器，此裝置是為了量測不同大小的光功率下，其錯誤率之表現。最 後將光進入 PIN 光檢測器中進行光電轉換，利用誤碼測量儀量測其錯誤率。發射與接端之架構可由圖 5 與圖 6 所示。
圖 5、傳送端。
圖 6、接收端。
在接收端的設計部分，為了有較好的接收功率，我們使用 15 cm 的透鏡聚焦，並用直徑為 62.5 m 的多模光纖耦合，耦合的損耗約為 3 dB。由於之後的儀器均使用單模光纖做為傳送，故需要將多模光 纖轉接至單模光纖，而此過程會有高達 12 dB 的損耗。但由於透鏡聚焦的點直徑(約為 45.4 m)的遠大 於單模光纖的直徑(9 m)，使得使用單模光纖耦光相對困難，因此使用多模光纖來進行耦合。
本次實驗選在臺灣科技大學的電資大樓頂樓以及臺灣大學的博理館頂樓，其直線距離約為 785 公 尺。實驗前期皆會先使用可見光雷射(紅光)來進行光路的調整，已確保光路對準時的效率與準確度。相 關實驗數據可由表 1.1 所示：
表 1.1 實驗相關參數。
傳送波長 1537.34 nm ~ 1542.82 nm
傳送端總功率 15 dBm
距離 785 m
傳輸損耗 (天氣良好時) 約 7 dBm (含玻璃損耗)
接收端耦合損失 3 dBm
多模光纖轉單模光纖損失 12 dBm
接收端功率 -7 ~ -9 dBm
我們分別量測載送 2.5 Gb/s 及 10 Gb/s 的訊號並量測長時間下的訊號錯誤率為何，首先先量測載送 2.5 Gb/s 的訊號的誤碼率，如圖 7(a)所示，我們量測當訊號速率為 2.5 Gb/s 時，其一整天下來的表現由 圖中可以發現，除了發生 error burst 的點數外(推估是由於頂樓強風的影響而造成接收訊號之晃動的情 形)，其餘皆可達到誤碼率小於 10-11，所以我們可以得到當天氣晴朗時，2.5 Gb/s 的無線光通訊傳輸是 一種非常可靠的傳輸系統。
圖 7、載送(a) 2.5 Gb/s 與(b) 10 Gb/s 訊號之誤碼率量測圖。
另外量測當傳輸速率為 10 Gb/s 的情況下，其結果呈現在圖 7(b)。此次量測在開始後的第二到第三 個小時間，開始降下累積雨量約 3.5 mm 的降雨量，我們可以發現誤碼率從原本開始的 10-7~10-8下降至 10-6的等級，而且接著下來均維持小於每小時 1 mm 的降雨量，而系統的誤碼率則可維持在 10-7此一等 級徘徊。最後，當量測時間為第二十至二十一小時時，累積雨量達到每小時約 5 mm 的降雨量，此時 的誤碼率變提高至 10-5~10-6。若依照此一趨勢去推估，倘若降雨量達到氣象局所定義的大雨 15 mm/hr 時，此時的 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統必定會受到一定程度的阻礙。另外由圖 8 可以看出，無線光通 訊系統在 785 m 的傳輸距離且 2.5 Gb/s 的傳輸速率下，依然能保持良好的誤碼率。然而 10 Gb/s 的傳輸 系統在遇到天候不佳的情況發生時，誤碼率變提高至無法提供一穩定的傳輸品質，此時若能搭配適時 降低傳輸速率以求穩定的連結，勢必能提高 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統的穩定度。
(a) (b)
圖 8、誤碼率量測圖。
在依照第一次實驗所面臨的一些問題及對應的方法，如：(1)傳輸系統架構易受強風所影響，需加 強系統架構的穩定度。(2)微調載送於馬赫-任德調變器調變訊號之電壓位準與訊號強度。依照之前所面 臨的問題做了相對應的調整後，我們又再次量測 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統，本次的相關的量測參數 如表 1.2 所示：
表 1.2 第二次實驗相關參數。
傳送波長 1537.18 nm ~ 1542.64 nm
傳送端總功率 12 dBm
距離 785 m
傳輸損耗 (天氣良好時) 約 6 dBm (含玻璃損耗)
接收端耦合損失 3 dBm
多模光纖轉單模光纖損失 12 dBm
接收端功率 -8 ~ -10 dBm
本次量測其間並無任何降雨的情形發生，此時的誤碼率皆可達到 error free 的情形，由此我們可以 得知 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統在無嚴重的氣候條件影響下，均可以表現穩定的傳輸品質，其測試結 果如圖 9 所示：
圖 9、第二次載送 10 Gb/s 訊號之誤碼率量測圖。
綜合有關此一系統的量測結果，我們可以證明無線光通訊傳輸系統可提供一高速(10 Gb/s)的傳輸 速率，若搭配在不同的氣候條件下，有系統的調整傳輸速率已保持接收與發射端的連結，讓無線光通 訊傳輸在點對點傳輸上佔有一定的地位。
另外在我們量測的過程中，若遇到累積降雨量達到 2 mm/hr 且能見度約為 3 km 時，我們可觀察到 接收光功率的變化上，從天氣良好的 -7 dBm 下降至 -11 dBm，此時因天候因素造成的損耗約為 4 dB，
與之前在此條件下的通道模型推估得到約為 2.7 dB 的衰減相去不遠，證明此通道模型可在將來的實驗 上提供快速預估通道損耗的指標之一。
3.實驗量測系統 – 山上單向戶外無線光通訊傳輸實測
在校園內成功測試無線光傳輸系統之後，我們配合總計畫之星光量測系統，在中央大學鹿林天文 台與東埔山莊之間的無線通道作測試。因為電源供給的關係，在此測試系統之發射端與接收端皆位於 鹿林天文台，而在東埔山莊僅放置一 10 吋平面鏡作為反射光訊號之用，故於實測時，訊號將從鹿林天 文台三樓之天文望遠鏡室發射往東埔山莊方向，再經由東埔山莊之 10 吋平面鏡將訊號反射回鹿林天文 台一樓外的空地作接收，如此一來，整體光傳輸通道長度約為 4302 公尺。於鹿林天文台與東埔山莊之 間的無線光通道為一良好的測試環境，其原因有二，一為要找尋如此長且乾淨之無線光通道來測試，
實在不容易；另一原因為山上之氣候條件變化較大，我們即可利用此機會測試在不同氣候條件下之光 訊號傳輸狀況。
此測試系統之傳輸通道距離非常長，共有 4302 公尺，故一些使用元件的精度便顯得相當重要。在 此將此測試系統之各種元件分別簡介如下：
(1.)光訊號發射端
此模組之架構如圖 10 所示。由圖中可看出，本架構包含一個可雙點微調的光纖夾取機構，其下有 一可調整其焦點位置的高精度線性微調機構，而在平板支架的另外一端，有可微調俯仰角及旋轉方位 角的兩組高精度機構，其上有一準直透鏡，可將光纖出口之光束轉為平行光發射出去。
圖 10、用於無線傳輸之光訊號發射端。
為了方便使用紅光來作對準之用，本準直透鏡採用了 635 nm 紅光與 1550 nm 紅外光共焦點的設 計。以 1550 nm 的光而言，焦距為 189.14 mm，而以 635 nm 紅光而言，焦距則為 189.29 mm。其焦距 僅相差 0.15 mm 並不會對兩種光源之準直性造成太大的影響。而此準直透鏡的鏡面直徑為 2 吋，換算 出之等效 NA 值為 0.13，與標準單模光纖之 NA 為 0.11 正好符合。
另外，為了使此準直透鏡於 635 nm 紅光及 1550 nm 紅外光皆有更好的穿透效率，我們在此準直透 鏡上更鍍上了抗反射層，其特性如圖 11 所示，經過設計，此抗反射層於 1550 nm 紅外光波段可有 99.85%
的穿透率，於 635 nm 紅光波段可達到 99.45% 之穿透率，如此一來可縮小光訊號的損耗。
圖 11、準直透鏡抗反射鍍膜之特性。
(2.)P2 P3 擴束平台
因本實驗之無線傳輸通道距離非常長，約有 4302 m，為了避免空氣粒子造成之散射現象過於嚴重，
必須先將光束擴束為 150 mm 左右的直徑再發射出去較為合適，此擴束平台主要由兩面高精度之離軸 拋物面鏡(P2, P3)所構成，如圖 12 所示。
圖 12、擴束平台。
為了方便調整，在 P2 與 P3 兩鏡面之下更加裝了 xyz 三軸之微調機構。P2 與 P3 皆為離軸拋物面 鏡，其中 P2 之鏡面直徑為 76.2 mm，焦長為 304.8 mm，P3 之鏡面直徑為 200 mm，焦長為 1015 mm。
另外我們放置一 100 um 寬之狹縫於 P2 及 P3 的焦點處，以作為對準用。
1. 10 吋高精度平面反射鏡
此傳輸實驗必須用到兩面大面積且高精度的平面鏡，其中之一用在天文台三樓之天文望遠鏡室的 窗戶邊，作用為微調光束之方向，使光束可以很準確的到達東埔山莊外的空地上。另外一面平面反射 鏡用於東埔山莊外空地上，作用為將所測光訊號反射回天文台一樓外之訊號接收端。本實驗所用之平 面反射鏡皆為 10 吋正圓形，且精度皆可達到 /10。
(3.)高效率無線光訊號接收端
因為此無線通道傳輸距離極長，約有 4302 m，難免會有一些空氣粒子造成的散射現象。本測試系 統之傳輸光束，由鹿林天文台三樓的天文望遠鏡室發出，經由 P2 P3 擴束平台後，其光束直徑約為 166 mm，由於使用光源 Pigtail 雷射，光源為非理想焦點，故經過 4302 m 傳輸後，光束大小將會擴大，其 擴束的程度與傳輸距離呈正比，再加上空氣粒子所造成的散射，到達天文台一樓外空地之訊號接收端 時，光束直徑大約擴大到 530 mm 左右，因此我們需要一個大面積且接收效率高的訊號接收端來達到 我們的要求。
圖 13 為本計畫所設計之訊號接收端的示意圖，採用類牛頓式的設計，其中有一個大面積的全拋物 面鏡 P4，直徑有 508 mm，其焦長為 2570 mm 且鏡面精度為 /10，用以將自東埔山莊反射回來之光訊 號作聚焦，高鏡面精度可保證其聚焦狀況，而長焦長可提高機構架設之容許位置偏差。
PMT
(a)
(b)
(c)
圖 13、訊號接收端示意圖。
另外，在 P4 的焦點後方，架設了一組一吋的離軸拋物面鏡 P5，其焦長為 50.8 mm 且離軸角度為 30 度，並且利用經緯儀仔細對準，使 P4 與 P5 共焦點。此離軸拋物面鏡主要作用是將 P4 收到之光訊 號，轉為直徑約為 9 mm 之平行光束，並打入 PMT 中。如此一來，可避免掉器材之遮蔽效應以提高光 傳輸效率。實際假設之照片如圖 14 所示，為了使 P4 及 P5 可以精確的共焦點，我們放置一個 500 um 之狹縫於此二拋物面鏡之焦點處，可以大大的提高以經緯儀定位的精準度。
The parabolic mirror P4 The 500 m slit The foundation of PMT The off-axis parabolic mirror P5
圖 14、訊號接收端實際架設圖。
其後，我們更以 1550 nm 之光源實際測試了此長為 4302 m 的傳輸通道，將此光訊號經由星光量測 系統之兩面鏡調變後，分成兩條路徑傳輸，其一為長約 3 km 的標準單模光纖，以作為接收端示波器的 觸發訊號，另一路徑即為無線傳輸，此二訊號在接收端收到的波形如圖 15 所示，右邊之訊號為經由光 纖傳輸之 1550 nm 光訊號，左邊為無線傳輸之訊號，因經過一反向放大器，故呈反向之電訊號圖形。
圖 15、訊號接收端實際接收之波形圖。
4.結論
本次研究成功的實現高速無線光通訊傳輸系統，傳輸距離可達到 785 公尺，並且也於鹿林天文台 與東埔山莊之間架設了長 4302 m 的無線光傳輸通道，並改良了光發射端與接收端以提高傳輸效率。同 時也驗證了在一開始推估通道損耗的通道模型之可行性，此一指標可用來快速推估目前通道的情形，
以採取對應的解決辦法來保持無線傳輸的穩定度。另外也實測了環境對於光纖傳輸訊號之影響，推測 由熱膨脹及應力效應所造成。
(三)參考文獻
[1] D. Kedar and S. Arnon, “Urban Optical Wireless Communication Networks: The Main Challenges and Possible Solutions,” IEEE Commun. Mag., 42, S2-S7, (2004).
[2] T. P. Deng, Y. M. Lu and X. Xiao, “Performance Evaluation of Free Space Optical Communication System,”
Proc. Wireless Communications Networking and Mobile Computing(WiCOM), 1, 587-590, (2005).
[3] I. Kim, B. McArthur and E. Korevaar, “Comparison of Laser Beam Propagation at 785 and 1550 nm in Fog and Haze for Opt. Wireless Communications,” in proc. SPIE, 4214, 26-37, (2001).
[4] C. P. Colvero, M. C. R. Cordeiro and J. P. Von Der Weid, “FSO Systems Rain, Drizzle , Fog and Haze Attenuation at Different Optical Windows Propagation,” Microwave and Optoelectronics Conference( IMOC 2007) SBMO/IEEE MTT-S Int., 563 – 568, (2007).
[5] S. S. Muhammed, P. Köhldorfer and E. Leitgeb, “Channel Modeling for Terrestrial Free Space Optical Links,” Transparent Optical Networks, Proce. 7th International Conference, 1, 407 – 410, (2005).
(四)計畫成果自評
本研究對影響無線光通訊傳輸的兩大主要課題做一詳盡的研究：氣候因素及傳輸效能。從氣候因素 來看，從歸納出雨、霧、霾等影響傳輸的條件來推估其影響程度，此一步驟將使得在面對不同的氣 候條件下，可快速提供系統參數設定的考量因素。從傳輸效能來看，依照之前的分析而採用不易受 氣候影響的光源來進行傳輸，並且量測在長時間的傳輸下，氣候對於訊號傳輸的影響，也驗證了無 線光通訊傳輸架構在氣候因素良好及些微降雨或起霧的情況下，確實是一值得信賴且穩定的傳輸方 式。
另外在對於有線光通訊的傳輸上，我們也實際量測了光纖在不同的環境溫度下所受的影響，因光纖 本身受熱漲冷縮及應力效應的影響而造成傳輸上的差異，這些影響因素都將成為在分析有線或無線 光通訊一項重要的指標。
三、發表之論文 Conference Articles
[1] Jingshown Wu, Yen-Ru Huang, Shenq-Tsong Chang, Hen-Wai Tsao, San-Liang Lee, and Wei-Cheng Lin,
"The Novel Optical System of Measuring the Speed of Starlight," Photoptics, Lisbon, Portugal, Jan. 2014.
[2] Jingshown Wu, Shenq-Tsong Chang, Hen-Wai Tsao, Yen-Ru Huang, San-Liang Lee, et al., “A method of comparing the speed of starlight and the speed of light from a terrestrial source,” SPIE Optics + Photonics 2013, San Diego, California, USA, Aug. 2013.
[3] Y. -R. Huang, J. Wu, S. -T. Chang, H. -W. Tsao, S. -L. Lee, W. -C. Lin, “Measurement of Differences and Relativity between Speeds of Light from Various Stars,” The 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC 12), Chiba, Japan, Jul. 2013.
[4] Yen-Ru Huang, Jingshown Wu, Wei-Cheng Lin, Shenq-Tsong Chang, San-Liang Lee, Hen-Wai Tsao, Ho-Lin Tsay, Yung-Chung Hsiao, Din Ping Tsai, Ji-Ying Huang, Cheng-Chieh Chang, “An Optical System of Comparing the Speeds of Light from Moving Stars,” International Conference on Optics-Photonics Design and Fabrication ODF’12, Saint-Petersburg, Russia, Jul. 2012.
[5] Jingshown Wu, Shenq-Tsong Chang, Hen-Wai Tsao, Yen-Ru Huang, San-Liang Lee, Wei-Cheng Lin, Ho-Lin Tsay, Din Ping Tsai, “Testing the Constancy of the Velocity of Light,” APS April Meeting, Atlanta, USA, Apr.
2012.
Journal Paper submitted to Journal of Applied Remote Sensing
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■ 達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
本計畫配合總計畫的實驗需求及特有的實驗環境，建置有線光纖與無線光線傳輸系統，
並探討各項環境因素對傳輸的影響，除了協助總計畫的光速量測外，亦可產出具學理價值的 研究成果。對於無線光線傳輸來說，除了一般熟知水氣分子吸收及散射外，大氣的擾動所產 生的干擾可被視為是影響最大的干擾源，這將限制了無線光傳輸的可靠度及被廣泛應用的程 度。然而，目前無線光通訊的應用大多都架設在都會區中，這樣的條件下，就減少了對於傳 輸通道的分析以及面臨惡劣氣候的解決辦法。在本計畫中，我們設計一整套通道模型，以及 如何藉由光源調變器訊號編碼的選擇來克服氣候上的影響，並應用光放大元件的分析步驟。
我們先在校園內建立一個無線光傳輸的測試平台，用以分析各元件在無線傳輸下的特性，最 終應用此一系統至鹿林天文台的星光量測中，以探討在真實且長距離的傳輸中，空氣中因為 水氣造成的反射及光在空氣中的色散會如何影響系統效能。至於在有線光傳輸的部分，我們 著重於空氣中的溫度及濕度對於光傳輸延遲的影響，此延遲對總計畫光速量測為影響精確度 的重要因素。
附件一
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期： 102 年 10 月 28 日
國科會補助計畫
計畫名稱：應用在無線及有線光傳輸之光訊號調製與分析(2/2) 計畫主持人： 李三良 教授
計畫編號： NSC100－2221－E－011－082－MY2 領域： 光電工程
研發成果名稱
（中文）大面積無線光接收端
（英文）Large area free-space optical receiver
成果歸屬機構 台科大 發明人
(創作人)
黃彥儒、林煒晟、
李三良、張勝聰
技術說明
（中文）
本計畫所設計之大面積訊號接收端，採用類牛頓式的設計，其中 有一個大面積的全拋物面鏡 P4，直徑有 508 mm，其焦長為 2570 mm 且鏡面精度為 /10，用以將反射回來之光訊號作聚焦，高鏡 面精度可保證其聚焦狀況，而長焦長可提高機構架設之容許位置 偏差。在 P4 的焦點後方，架設了一組一吋的離軸拋物面鏡 P5，其 焦長為 50.8 mm 且離軸角度為 30 度，並且利用經緯儀仔細對準，
使 P4 與 P5 共焦點。此離軸拋物面鏡主要作用是將 P4 收到之光訊 號，轉為直徑約為 10 mm 之平行光束，並打入光接收器中。如此 一來，可避免掉器材之遮蔽效應以提高光傳輸效率。
（英文）
We employ a Newtonian design and use an off-axis parabolic mirror instead of a flat mirror for the receiver design. In our measurement system, the input light is a collimating beam with around 500 mm diameter, then the signals are focused by a 508 mm parabolic mirror, P4, which has 2,570 mm focal length. Behind the focal point of P4, the light signals are reflected by an off-axis parabolic mirror, P5, which has 25 mm diameter and 50.8 mm focal length, then the output light will become collimating. The focal points of P4 and P5 are exactly in the same position, and a 500 m slit is located here. Because the off-axis angle of P5 is about 30 degree, the detector can be placed outside of the transmission path to reduce the shadow effect.
產業別 光電工程
技術/產品應用範圍 無線光傳輸
附件二
技術移轉可行性及預期 效益
此模組可廣泛用於無線光傳輸系統上，具有方便對準及減小損耗 之優點。
註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2013/10/30
國科會補助計畫
計畫名稱: 子計畫二：應用在無線及有線光傳輸之光訊號調制與分析 計畫主持人: 李三良
計畫編號: 100-2221-E-011-082-MY2 學門領域: 光電其他
研發成果名稱 (中文) 大面積無線光接收端
(英文) Large area free-space optical receiver
成果歸屬機構 國立臺灣科技大學 發明人
(創作人)
李三良,黃彥儒,林煒晟,張勝聰
技術說明
(中文) 本計畫所設計之大面積訊號接收端，採用類牛頓式的設計，其中有一個大面積的 全拋物面鏡P4，直徑有508 mm，其焦長為2570 mm且鏡面精度為 财/10，用以將 反射回來之光訊號作聚焦，高鏡面精度可保證其聚焦狀況，而長焦長可提高機構 架設之容許位置偏差。在P4的焦點後方，架設了一組一吋的離軸拋物面鏡P5，其 焦長為50.8 mm且離軸角度為30度，並且利用經緯儀仔細對準，使P4與P5共焦點。
此離軸拋物面鏡主要作用是將P4收到之光訊號，轉為直徑約為10 mm之平行光束，
並打入光接收器中。如此一來，可避免掉器材之遮蔽效應以提高光傳輸效率。
(英文) We employ a Newtonian design and use an off-axis parabolic mirror instead of a flat mirror for the receiver design. In our measurement system, the input light is a
collimating beam with around 500 mm diameter, then the signals are focused by a 508 mm parabolic mirror, P4, which has 2,570 mm focal length. Behind the focal point of P4, the light signals are reflected by an off-axis parabolic mirror, P5, which has 25 mm diameter and 50.8 mm focal length, then the output light will become collimating. The focal points of P4 and P5 are exactly in the same position, and a 500 m slit is located here. Because the off-axis angle of P5 is about 30 degree, the detector can be placed outside of the transmission path to reduce the shadow effect.
產業別 電機及電子機械器材業；光學及精密器械製造業
技術/產品應用範圍 無線光傳輸 技術移轉可行性及
預期效益
此模組可廣泛用於無線光傳輸系統上，具有方便對準及減小損耗之優點。
註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
100 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：李三良 計畫編號：100-2221-E-011-082-MY2
計畫名稱：不同星體光源之光速差異及相關性的量測及比較--子計畫二：應用在無線及有線光傳輸之 光訊號調制與分析
量化
成果項目 實際已達成
數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比 單位
備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等）
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 0 0 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100%
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 5 5 100%
博士生 2 2 100%
博士後研究員 0 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 6 6 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國外
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
無
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性) 0
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
科 教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□實驗失敗
□因故實驗中斷
□其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
本研究對影響無線光通訊傳輸的兩大主要課題做一詳盡的研究：氣候因素及傳輸效能。從 氣候因素來看，從歸納出雨、霧、霾等影響傳輸的條件來推估其影響程度，此一步驟將使 得在面對不同的氣候條件下，可快速提供系統參數設定的考量因素。從傳輸效能來看，依 照之前的分析而採用不易受氣候影響的光源來進行傳輸，並且量測在長時間的傳輸下，氣 候對於訊號傳輸的影響，也驗證了無線光通訊傳輸架構在氣候因素良好及些微降雨或起霧 的情況下，確實是一值得信賴且穩定的傳輸方式。
另外在對於有線光通訊的傳輸上，我們也實際量測了光纖在不同的環境溫度下所受的影 響，因光纖本身受熱漲冷縮及應力效應的影響而造成傳輸上的差異，這些影響因素都將成 為在分析有線或無線光通訊一項重要的指標。
