智慧型高密度分波多工系統的前瞻光網路技術-子計畫三:高密度分波多工系統的通道監控與訊號處理(III)

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

智慧型高密度分波多工系統的前瞻光網路技術--子計畫三:

高密度分波多工系統的通道監控與訊號處理(3/3) 研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 94-2219-E-011-002-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 10 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：博、碩士研究生：林淑娟、陳瑞川、鄭俊宏、張郁堂、王儷娟

處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中華民國 95 年 12 月 12 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫行政院國家科學委員會補助專題研究計畫行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ████ 成果報告成果報告成果報告成果報告

□□

□□期中進度報告期中進度報告期中進度報告期中進度報告

智慧型高密度分波多工系統的前瞻光網路技術

子計畫三: 高密度分波多工系統的通道監控與訊號處理

計畫類別：□ 個別型計畫 ▇ 整合型計畫 計畫編號：NSC94-2219-E011-002

執行期間：94 年 8 月 1 日至 95 年 10 月 31 日

計畫主持人：李三良共同主持人：

計畫參與人員：林淑娟、陳瑞川、鄭俊宏、張郁堂、王儷娟

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

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

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

執行單位：國立臺灣科技大學電子工程技術學系

(3)

I. 中、英文摘要及關鍵詞(keywords)

（一）計畫中文摘要。（五百字以內）

關鍵詞關鍵詞關鍵詞

關鍵詞：：：：波長分波多工、光交換器、訊號及通道性能監控、波長轉換、光通道塞取、全光式

本計畫主要利用三五族主動元件及其他光電元件設計新一代智慧型光交換器所需的訊號整形、通道性能監控、以及波長轉換等功能。訊號整形係為了在光交換器前級先補償及修正經過光纖傳輸所產生的訊號失真及其他不良效應；通道性能偵測與監控則為了網路維護及提供不同的網路服務等級；波長轉換則提供波長再使用，可以提升波長路由的效率。為適用於高資料傳輸率及適用於不同的協定和傳輸率，本計畫將採用全光式技術達成上述三項功能。由於上述功能皆可使用三五族半導體的主動元件來達成，在此計畫中將一併研究。

在訊號再生技術方面，將研究新式的全光式訊號整形技術，以尋求具有較低複雜度及成本之可行方法。為適應輸入訊號準位的可能變化，此訊號整形技術必須具備可調臨界準位性能，且可適用於不同的波長。在光通道性能監視技術方面，將針對應用於光纖骨幹或都會網路中波長分波多工的交換器節點之光通道傳輸性能之各項監視技術研究與整合各項技術及實體化。研究的重點為整合波長、光功率、光訊號雜訊比 (OSNR)及 Q 值等重要監視技術以達成較具完整性的光通道性能監視系統。在波長轉換方面，將結合兩段式雷射與半導體光放大器之優點，就不同德轉換需求設計與最佳化的波長轉換器，並將著重研究具有訊號整形功能的波長轉換器，如此可將兩個功能合而為一，可降低模組的複雜度。

（二）計畫英文摘要。（五百字以內）

Key words: Wavelengh division multiplexing, Optical switch, Channel performance monitoring, wavelength conversion, Optical add/drop, all-optical.

This project aims at developing the signal reshaping, performance monitoring, and wavelength translation technologies for next-generation intelligent optical networks. These functions can be provided by using similar III-V Semiconductor optical components,

including two-section semiconductor lasers TSSL and semiconductor optical amplifiers(SOA’).

Optical signal reshaping can compensate the distortion, while performance monitoring can be used for network protection and class of service. Wavelength conversion provides both wavelength re-use and reduce blocking probability in an optical switch. All-optical techniques and chosen to achieve the above functions in order for applications in various data rate.

For signal regeneration, we will develop novel all-optical reshaping technology to reduce

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the complexity and cost. The reshaper must have adjustable threshold to cope with a wide range of input signal level. The optical performance monitoring will focus on developing and

integrating the monitoring of wavelength, power, OSNR, and Q-factor into a compact module.

For wavelength conversion, we will study the use of a TSSL and the cross-polarization effect of a SOA to achieve polarization insensitive and broadband wavelength conversion. Reshaping and/or clock recovery may also be performed with the wavelength conversion by optimizing the above two components.

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封面--- I

I. 中、英文摘要及關鍵詞(keywords) --- ^Ⅱ

（一）計畫中文摘要 --- Ⅱ

（二）計畫英文摘要 --- Ⅱ

II. 目錄 --- ^Ⅳ

III. 報告內容 --- 1

I. 前言 --- 1

II. 研究目的 --- 2

III. 文獻探討研究方法 --- 3

IV. 結果與討論（含結論與建議） --- 8

V. 計畫成果自評 --- 22

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III. 報告內容：

I. 前言前言前言前言

信號在光纖網路傳輸中，常會受到許多因素的干擾影響其傳輸品質，包括色散與偏振模態色散(Polarization mode dispersion, PMD)等，為符合新一代光纖網路系統，須加入監控機制，良好的光效能監控系統可準確偵測訊號品質的好壞，對系統做進一步維護。在 WDM 光纖網路傳輸系統中，依據不同的網路節點需求需要不同的監控參數，一般可將 OPM 分為三種等級：光通道監控(Optical channel monitor, OCM)、光通道分析儀(Optical channel analyzer, OCA)與光通道擷取與誤碼率測試儀(Optical channel drop and test, OCDT)，如圖 1 所示。

Coupler

Monitor module Wavelength

Power

Optical channel monitor

(OCM)

Optical channel Drop and test

(OCDT) Optical channel

analyzer (OCA)

P Channel POSNR

Power

Wavelength ^λ^λ^λ^λ λ λ λ λ

Tunable

Filter Receiver Q-factor/Error Rate

by channel

圖 1 不同等級的 OPM 示意圖

目前都會網路(MAN)及區域網路(Local)傳輸距離在一百公里內，由於傳輸資料速率已朝向 10Gbps 以上的目標邁進，若要使用直調雷射和傳統單模光纖傳輸，

雷射啁啾(Chirp)和光纖色散(Dispersion)的交互作用下，大大地限制傳輸距離。

因此目前唯一替代方案就是使用外部調變雷射，但是價格昂貴，製程困難。而若使用非冷卻雷射，因波長漂移使得色散將隨環境狀況改變，所以我們提出一個簡單低廉的方式來增加直接調變雷射使用於高速傳輸系統的價值。

就全光式波長轉換技術而言有許多不同的方式，大致可分五種機制：光閘式、

干涉式、混波式、極化調變式以及吸收調變式；主要可達成之關鍵元件為：半

(7)

在光纖通訊系統中，隨著傳輸速度的增加，偏極化色散(Polarization mode dispersion)是限制傳輸速度最大因素。初期時，有 Poole 和 Wager 開始研究[1]。

許多論文的理論與實驗都在討論光纖系統中的偏極化色散效應[2]~[6]。隨著分波多工系統的發展，光濾波器在光纖系統中扮演著很重要的角色；聲光可調濾波器也是常被使用於光纖系統中的光濾波器，這裡我們將使用聲光可調濾波器來量測偏極化色散值。

II. 研究目的

由於高速光纖網路的相繼興起，單一通道速率不斷的提升，在 WDM 系統中，

間距由 100GHz、50 GHz 逐漸縮小至 25 GHz，為了擁有良好的光訊號傳輸品質，

對高速率的電訊號處理不易達成，複雜度與成本也越來越高，而利用簡易的光時域監控技術來監測高速訊號將成為未來的趨勢。本論文以光效能監控系統為研究方向，針對 OCDT 監控等級研究，選用 2×2 可調式光交換開關為取樣元件，取樣實際訊號，達成 Q 值量測。

研究10 Gb/s 直接調變雷射的chirp 特性，預期能找一個規則去選擇以及裝配 DML，因此可得到想要的chirp 特性。研究10 Gb/s DML 傳輸性能，展露出DML 的頻率啁啾與色散性質的關係。架構多個DML作為光發射模組皆傳送10Gb/s 資料速率的直接調變系統，驗証10Gb/s傳輸系統的傳輸品質。

本實驗室對全光式波長轉換技術以及其效能提升的研究相當積極。因此，延續實驗室既有技術，針對交叉極化調變之轉換特性及動態範圍深入探討。此外我們也與交叉增益調變機制之波長轉換器做比較。然而，一個好的全光式波長轉換器，

更需具備良好的傳輸特性，另加上實際傳輸及啁啾效應的量測，分析交叉極化調變及交叉增益調變兩種機制轉換信號的傳輸及啁啾特性，並提出以交叉極化調變機制來改變交叉增益調變轉換信號之啁啾極性，以增加傳輸距離，落實全光網路高頻寬及長距離的傳輸特性。

我們運用簡單的架構，用來做線上的一階偏極化色散量測以及元件的極化程度。

我們可以快速監控與補償光纖通訊系統中偏極化色散的效應，而不需要中斷資料的傳輸。除了使用固定分析法來求得一階偏極化色散 DGD 值外。而且在分波多工系統中，聲光可調濾波器可用來個別檢測不同波段，高速調變訊號後傳輸於長距離光纖後會產生的退極化狀態，藉由量測出極化程度再求出一階偏極化色散值。在這裡我們所使用的儀器花費比節省，所佔的空間比較小，攜帶性較為方便，

這是我們研究的最主要動機。

(8)

III. 文獻探討研究方法

現今的 Q 值研究仍以 Ippei Shake 和 Hidehiko Takara 所屬的 NTT 研究團隊為主，

發表許多以非同步取樣方式量測 Q 值的相關技術，利用偏振不相干及具有 40GHz 頻寬的電吸收調變器(Electro-absortion modulator, EAM)做為光電取樣元件，系統特性參數如表 1。

表 1 Q 值監控特性參數列表

圖 2 為系統的量測架構，藉由外加電壓控制產生短脈波電訊號驅動 EAM 取樣元件，EAM 以低重複率(數百 MHz)取樣高速(數十 GHz)訊號，取樣後的光訊號最後經由臨界準位的選定做修正，將訊號 1 與 0 以高斯統計方式做分析，求出 Q 值，如圖 3。

圖 2 非同步取樣 Q 值量測架構圖

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圖 3 非同步取樣的統計分布圖形

綜合上述，非同步取樣較傳統取樣技術簡單，EAM 利用低重複率(數百 MHz) 取樣高速(數十 GHz)訊號，如此可降低處理高頻訊號的複雜度。未來欲對該項技術做研究，將朝非同步取樣方式，達成模組化及低成本的目標。

研究學者已經提出許多降低直接調變雷射頻率啁啾效應的方法，至今，有以下幾種方法被驗證：

發展1310nm波段操作速率為10 Gb/s的直接調變雷射，由於在1310nm波段的色散值是很小的，這種類型的雷射已經被發展在短距離10Gb/s的傳輸系統中，然而，對於CWDM與DWDM的應用而言，仍然是希望發展10 Gb/s的直接調變雷射是操作在1510nm波段。

傳輸的介質是較小色散值的光纖或者甚至是負色散值的光纖。使用負色散值光纖對於直接調變雷射的“正”暫態啁啾現象可以降低，藉由這個方法，一個使用直接調變雷射作為光源的WDM系統的傳輸距離可以大大地增加，可是，大部分已鋪設完成的都是單模光纖，因此這個方法被限制其應用。

色散維持傳輸(Dispersion-supported transmission ；DST))技術。這個技術的概念是頻率啁啾引起的光頻率調變(FM)性質轉換成強度調變(IM)；也就是光功率值的變化量，並結合光接收端使用合適的電濾波器，使用elegant conversion 克服色散的限制。但是DST系統針對不同的傳輸距離需要調整直接調變雷射的調變深度，並且需要複雜的光接收機之設計以接收光訊號，造成系統設計彈性上的一個限制，這個技術沒有被實際系統所使用，還需要一段時間的研究。

窄波段的光濾波器方法。使用光學濾波器如光纖光柵或是利用光學延遲形成干涉的方法，對於直接調變雷射產生的光脈波上的暫態啁啾(transient chirp) 可以消去，只能增加少許的傳輸距離，若是透過濾波器的作用，將FM變動轉換成IM 的反應做改善，使得目前最長傳輸可達100km。

使用降低調變深度、低啁啾的直接調變雷射。藉由降低一個低啁啾的直接調變雷射的調變深度，頻率啁啾效應可以被抑制，但是，產生的光訊號的熄滅比將會變小，所以限制這種直接調變雷射的應用。

用電路作色散補償的功用。可插拔電子式色散補償(EDC)IC對於補償因色散

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造成的波形失真的能力有限，當在接收端電路包含EDC chip的時候，直接調變雷射的傳輸距離可以近似兩倍，約20公里的距離。

使用10Gb/s的直接調變雷射於CWDM和 DWDM網路中逐漸被重視，從近幾年來的國際性期刊論文中有發表許多前瞻性的結果去擴展直接調變雷射在高容量都會型網路的使用。可是應用直接調變雷射在實際的10Gb/s傳輸系統中，仍是有許多問題有待澄清。從整體的傳輸系統來看，從光發射端或是接收端進行消去chirp或是做色散補償，會比更換光纖容易進行，另外，我們也希望有一個方法可以簡單穩定的提升直接調變雷射的傳輸距離，最理想的情況是不需外加模組，可以直接與雷射封裝在一起的元件。

半導體光放大器為目前全光式波長轉換技術發展最成功的元件，主要是因為其具有體積小易與其他半導體元件積體化，又本身為放大器，故相對所需提供之光功率較小之特性，且半導體光放大器之 3 dB 增益頻寬夠寬，故可轉換較大 範圍。表錯誤! 所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中。。。為以半導體光放大器為基。礎達成波長轉換技術之特性比較表

表錯誤錯誤錯誤錯誤! 所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中所指定的樣式的文字不存在文件中。。。。以 SOA 為基礎之波長轉換技術特性比較表

XGM XPM CPM FWM

目的光源波目的光源波目的光源波目的光源波長對應長對應長對應

長對應 ω_output=ωprobe ω_output=ωprobe ω_output=ωprobe

ωoutput=2ωpump-ωi n

訊雜比訊雜比訊雜比

訊雜比 ~7-9 dB ~3 dB ~10-13 dB <20 dB

明滅比明滅比明滅比 明滅比

~6-8dB (down conversion)

~15 dB 約同輸入信號約同輸入信號

極化敏感度極化敏感度極化敏感度

極化敏感度 ╳ ○ ○ ○

轉換效率轉換效率轉換效率

轉換效率 ~8 dB ~-2 dB ~-10 dB ~-7 dB

優點優點優點

優點架構簡單

轉換效率高高明滅比

架構簡單高動態範圍

具調制及位元格式透明度

缺點缺點缺點

缺點低明滅比

架構複雜

動態範圍小 △

轉換範圍小轉換波長受限

(11)

為不同類型波長轉換器之比較表

SOA NLF SL EAM

非線性機制非線性機制非線性機制 非線性機制

XGM XPM CPM FWM

SPM XPM CPM FWM

XGM XAM XPM FWM

XAM XPM CPM

轉換範圍轉換範圍轉換範圍 轉換範圍

取決 SOA 增益頻寬

波長相依性小

取決 Laser 發光波長

取決 EAM 吸收效應區

轉換速度轉換速度轉換速度轉換速度

取決 SOA 增益回復時間

(<100 ps)

取決 fiber 非線性回復時間

(fs)

取決 Laser 載子回復時間

(<100 ps)

取決 EAM 吸收回復時間

(<10 ps)

優點優點優點優點

易積體化高轉換效率低功率損耗

高速非線性效應強

高明滅比輸入波長範圍大

低雜訊

缺點缺點缺點

缺點低速 SBS 問題製程複雜吸收損失大

量測光纖中的極化色散效應的方法被認同的方法有好幾種，邦加球跟瓊斯矩陣方法是使用極化分析器先量測出輸出極化狀態，再經由理論來推導出 DGD 值，而其中主要極化態(principal states of polarization)是波長的函數。固定分析法是一種比前兩者更簡單的量測方法，藉由極化片分解出極化史托克向量，再由光功率計量出功率，波長相對的慢慢的改變，量出相對應的功率極值，代入公式便可求的平均的 DGD 值。

固定分析法(The Fixed Analyzer Technique)也稱為波長掃描法，是最簡單也是最多人知道的方法，用來量測出 DGD 的平均值，由首先 Poole 和 Favin 所提出來，用在於偏極化色散的量測[7]。固定分析法所量到的平均 DGD 為一統計值，

隨著波長的改變而量測出所傳送的光譜圖，會產生數個波峰與波谷。當 PMD 變大時，改變波長所產生的極化狀態會變化急速，波峰與波谷的點會很接近。這個方法的優點是資料的分析和實驗架構圖都很簡單，

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圖 2 介紹我們提出的量測架構圖。而待測物的平均的 DGD 值可用下列公式：

2( )

e start stop start stop

kN

λ c

λ λ

τ λ λ

< ∆ > =

−

在串接數個聲光可調濾波器時，可以增加解析度，因此一階偏極化色散 DGD 的量測範圍可以得到更好的改善，但是聲光可調濾波器的解析度也有極限的限制[8]~[17]。當寬頻譜光源(ASE)通過偏極化色散監控系統，通過聲光可

調濾波器的光傳輸函數為：

( ) ( )

2 2

1

1 2 2

2 2 2

sin 0.5 1 /

( , )

1 /

sin 0.5 1 /

1 /

L T

L L L

πα β π

β β

β π

πα β π

β π

 

 + ∆ 

 

∆ ∆ =

+ ∆

 

 + ∆ 

 

×

+ ∆

在此，藉由調整聲音(rf)頻率與、來選取通過濾波器的光譜。慢慢的調整、

可以得到細小的波長變化量、更大的解析度。對於每個波長的改變量，微小變化的總功率可以得到： ₁ ₂

1

( ) ( ( ), ( ))

N

N ASE n n n

n

P S λ T β λ β λ

=

=∑∆ ∆ ∆

藉由增加聲光可調濾波器的數目，可以增加系統的解析度。在表 1 與表 2 說明使用兩個與三個聲光可調濾波器可以增加解析度，也明顯的增加 DGD 的量測範圍。

第二種利用極化程度衰減量測一階偏極化色散，調變訊號對極化程度影響由自我相關函數與訊號的脈衝寬度與調變速度有重要的關係 [18]。若輸入訊號為理想的矩形訊號：

( ) 1 Λ( )+ Λ( )

2

m

b m

dgd mT DOP dgd dgd

W W

=+∞

=−∞

 − 

=  

 ∑ 

圖 3 說明了調變訊號與極化程度的關係圖，當調變訊號為 50%RZ 訊號時，延遲時間剛好是一半的位元間隔，會產生完全的退極化情況；當調變訊號為 NRZ 時，最糟糕的退極化情況下，當延遲時間等於一半的位元間隔，此時極化程度大約是 50%。因此我們可以藉由極化程度與調變訊號的關係，進而求出一階偏極化色散所造成的時間延遲。

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IV. 結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論（（（含結（含結含結論與建議含結論與建議論與建議論與建議））））

主要成果包含下列項目：

1. 以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究

圖 4 為光取樣模組的實驗設置圖，利用非同步取樣方式對 2.5GHz 速率信號做監測，利用可調式光切換開關做為光學取樣元件，藉由高速脈波產生器產生取樣頻率為 625MHz 的窄脈波寬度(0.4ns)電信號驅動可調式光切換開關，由於可調式光開關對極化極為敏感，故前端須加上自動極化保持控制器，使任意極化信號進入光取樣模組都能以固定極化(TE mode)入射，產生最大的取樣效率，最後藉由臨界電壓的選擇，由 DCA 的統計運算功能，對取樣後信號做分析，並由控溫方式調動雷射波長位置，對色散做動態補償，使系統自動維持於最佳的 Q 值信號。

圖 4 光取樣模組架構圖

臨界電壓選擇定義臨界電壓選擇定義臨界電壓選擇定義 臨界電壓選擇定義

由於非同步取樣方式，易將訊號眼圖中 1 與 0 以外的交越點涵蓋進來，形成量測誤差，為使量測更為精準，需定義出適當臨界電壓的準位，利用臨界準位的選擇，有效地排除交越點，藉由(3-1)和(3-2)式[1]運算求出臨界準位。圖 5 為在不同的修正常數下所產生的臨界準位示意圖，當修正常數越小(C = 0.1)，臨界準位將越靠近統計過後的平均值，使得信號本身雜訊被臨界準位所切除，對 Q 值產生誤判，量測出較原始信號還高的 Q 值，反之，若修正常數越大(C = 0.4)，將使臨界準位涵蓋較多因非同步所取出的交越點，對 Q 值產生誤判，量測出較原信號還低的 Q 值；圖 3-2 為改變修正常數後實際量測到的 Q 值信號，在此刻意將修正常數調整為 0.1、0.2、0.25、0.3 和 0.4，

分別對不同常數值作分析，由圖中可知，隨著修正常數的上升，所量測到的 Q 值將越來越小。圖 6 可看出在不同的修正常數下所量的曲線與實際 Q 值曲線具有斜率上的差

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異，造成斜率上的差異主要來自於監控模組前端自動偏振保持控制器(Polarization stabilizer；POS)與接收器自身雜訊的影響，(3-3)式為考慮雜訊損耗與插入損耗後 Q 值與 OSNR 的關係式，式中S_loss、N_loss和R_Noise分別為訊號損耗量、雜訊損耗量和接受器自身雜訊量，經由模擬結果圖 7 可看出，較小的 Q 值因受到自動偏振保持控制器後端的線性起偏振鏡影響，ASE 將降為原來的一半，造成量測時產生較高的 Q 值，

反之，較大的 Q 值由於受到接受器自身雜訊影響，量測的 Q 值結果將小於實際的 Q 值，在此我們將模擬結果與量測結果相互比較，比較後結果極為相近，證明了實際 Q 值與量測 Q 值的差異是來自於自動偏振保持控制器的影響。

) µ C(µ µ

: 1)

Threshold( ₁ − ₁ − ₀ (3-1)

) µ C(µ µ

: 0)

Threshold( ₀ + ₁− ₀ (3-2)

B ) log(B 10 R )

N N

S log( S

10 Q

B ) log(B 10 R )

N log( S 10 Q

B ) log(B 10 OSNR

Q

e o Noise

loss loss )

M ( dB

e o Noise

) R ( dB

e o dB

dB

+ +

−

= −

+ +

=

+

=

(3-3)

靈敏度特性量測靈敏度特性量測靈敏度特性量測靈敏度特性量測

由於該交換器是以鈮酸鋰為基板，有較大的插入損耗，損耗約為 6dB，加上監控模組中 POS 的 2dB 損耗，整個系統架構損耗約有 8dB，對接受器靈敏度的量測有極大影響，使 Q 值量測產生誤差，圖 8 為該架構下的靈敏度特性圖，不同的 Q 值隨著光功率的衰減，當功率於 4dBm 以下時，所有 Q 值將隨功率衰減而下降。

自動色散補償量測自動色散補償量測自動色散補償量測自動色散補償量測

圖 9(a)是以直調雷射調變 2.5Gb/s 於 75 公里光纖傳輸後的眼圖，當信號經光纖傳輸後產生色散現象，造成信號 ER 與 Q 值的下降，在此實驗架構中，於後端加入一析光器，

藉由改變雷射波長位置，對色散做補償，圖 9(b)為經析光器後的眼圖，由圖中可看出經析光器後的眼圖，ER 與 Q 值有明顯的提升，達成補償效果，圖 10 為自動色散補償量測圖，藉由控溫方式，於不同光纖長度傳輸下對色散做動態補償，使系統自動維持於最佳的 Q 值信號。

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1 1,σ µ

0 0,σ

µ ₁₂

14 16 18 20 22 24

12 14 16 18 20 22

Real Q-factor C = 0.1 C = 0.2 C = 0.25 C = 0.3 C = 0.4

Real Q-factor (dB)

Real Q-factor (dB) 圖 5 修正常數與臨界準位示意圖圖 6 修正常數與 Q 值量測關係圖

14 15 16 17 18 19 20 21 22

Meas.

Real

Q,(dB)

Q,(dB)

8 10 12 14 16 18 20

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Q,(dB)

Power (dBm)

圖 7 經 POS 後 Q 值模擬結果圖圖 8 監控模組靈敏度特性圖

(a) 無經過析光器

(b) 經過析光器

10 12 14 16 18 20

1 2 3 4 5 6 7 8

105km W/ Etalon 75km W/Etalon 105km W/O Etalon 75km W/O Etalon

Q,(dB)

Time(s)

圖 9 於 75 公里光纖傳輸下眼圖圖 10 不同光纖長度的動態色散補償

結論結論結論結論

(1) 本實驗利用修正常數(C)的選定，調整臨界準位的位置，在無色散效應影響下，修正

(16)

常數 C 為 0.25 時，估算出的 Q 值會最接近實際訊號的 Q 值。

(2) 監控系統架構的損耗約 8dB，對接受器靈敏度有極大的影響，為獲得準確的 Q 值，

監控系統所需輸入功率大小需在 4dBm 之上。

(3) 在不同的訊號速率下，使取樣脈波寬度小於訊號每位元寬度，並搭配臨界準位 (C=0.25)排除交越點的影響，則 Q 值的量測會較準確。

(4) 本實驗利用析光器做為色散補償元件，藉由監控的 Q 值動態調整雷射溫度，改變輸出波長位置，達成動態色散補償，使系統自動維持於最佳的 Q 值訊號。

2. 改善直接調變雷射特性之方法改善直接調變雷射特性之方法改善直接調變雷射特性之方法改善直接調變雷射特性之方法

直調雷射的特性

我們已知變動提供給雷射的偏壓電流與訊號準位大小，可以得到相對的光明滅比和頻率啁啾值，當偏壓電流增加，得到的頻率啁啾值可以降低，但相對地，雷射輸出的 ER 值也降低，因為訊號”0”準位會提升，當維持 ER 在同樣準位時，增加調變訊號的電壓，同時也要提昇偏壓電流，導致的頻率啁啾值，不論是靜態的或是暫態值，也隨之增加，如圖 11 所示。設定雷射輸出不同的 ER 值準位條件下，於一般單膜光纖上進行傳輸，從圖 12 的系統 penalty 量測結果可發現(1)ER 值愈大，penalty 隨光纖長度的增加幾乎呈現指數形式的增長，主要是由於嚴重的暫態啁啾值(transient chirp )與色散作用導致。(2)ER 值愈小，暫態啁啾值降低，因此由啁啾值造成的 penalty 減小，但到達一定的光纖長度後，penalty 又遽增，此為靜態啁啾(adiabatic chirp)效應浮現所導致。

從圖 13 的頻譜圖上觀察，直接調變雷射的輸出頻譜是呈現一個非對稱的形狀，主要是暫態頻率啁啾的作用，但是當偏壓電流設定在較高的準位時，隨著增加調變訊號的電壓，可以清楚地發現形成兩個峰值，這兩個峰值的間距即為靜態啁啾值(adiabatic chirp)。

(17)

0

3

6

9

12 0

10 20 30 40

30 45 60 75 90

Im =40 mA Im =30 mA Im =20 mA

ER [dB] P-P Chirp [GHz]

Ib [mA]

Adiabatic 10 GHz 7.5GHz

4.5GHz

0 2 4 6 8 10 12 14

0 10 20 30 40 50 60

2.5 dB 4 dB 5 dB 6 dB 7dB 8dB

Penalty [dB]

Length [km]

ER

Im=40mA BER=10e^-9

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

1556.8 1557.2 1557.6 1558

Bias = 40mA

Im=20mA Im=30mA Im=40mA

Power [dBm]

Wavelength [nm]

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

1556.8 1557.2 1557.6 1558

Bias = 60 mA Im=20mA

Im=30mA Im=40mA

Power [dBm]

Wavelength [nm]

直調雷射傳輸性能的提升

為了驗證於多個雷射末端加入析光器(FP etalon)後的作用，我們使用兩顆直調雷射進行實驗，各自載送 9.95328 Gbps 2³¹ -1 的 PRBS 訊號，中心波長為 1557.294nm 和 1558.088nm，臨限電流約為 10mA。使用的析光器為矽的材料，FSR 為 100GHz，3dB 頻寬約為 15GHz，它的穿透頻譜如圖 15 (a)，實際尺寸約為６mmｘ６mmｘ１mm，如圖 16 所示。在未加與加上析光器後的直接調雷射輸出頻譜圖顯示於圖 15(b)，明顯地加上析光器後使得雷射輸出原本變寬的頻寬削減的較窄了。

(a) (b)

圖 11 不同的偏壓電流與調變電流組合下得到的 ER 與 P-P chirp 值

圖 12 一個直調雷射設定不同的輸出 ER 值情形下，得到的傳輸特性

圖 13 兩個固定偏壓電流值情形下，變動調變訊號的頻譜

(18)

-15 -10 -5

0 Etalon transmisison

Loss [dB]

-60 -40 -20 0

1556.8 1557.2 1557.6 1558 1558.4 W/O etalon W/ etalon

Power [dBm]

Wavelength [nm]

1557.294 1558.088

圖 16 析光器的實體圖

0 2 4 6 8 10 12

0 20 40 60 80 100

ER=3dB ER=8dB LD1 LD2

Penalty [dB]

Length [km]

10^-13 10^-11 10^-9 10^-7 10^-5

-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 W/o etalon, B-B W/o etalon, 8.5 km W/ etalon, B-B 1 W/ etalon, B-B 2 W/ etalon, 75km 1 W/ etalon, 75km 2

BER

Rx Pi [dBm]

圖 14 實驗系統的設置圖圖 15 (a) 析光器的穿透頻譜圖 (b)直調雷射在未加與加上析光器後的頻譜圖比較

W/o etalon

W/ etalon

圖 17 不同傳輸距離時系統的 penalty 圖 18 各種傳輸條件下的 BER

(19)

penalty<2dB 的條件下，兩顆雷射都可以傳輸到 75 公里，同樣地，在圖 18 中比較未加上與加上析光器的 BER 值，一般直調雷射傳輸 8.5 公里就會增加 3dB penalty，但藉由析光器的幫助，即使傳輸 75 公里，penalty 仍小於 3dB。

加上析光器可以增強直調雷射的傳輸特性主要是(1)選擇適當的工作條件，使暫態啁啾值與靜態啁啾值接近互補條件，靜態啁啾值越小可以增加傳輸光纖長度，(2) 提升 2 倍多的 ER 值使得 penalty 大幅地降低，(3) 抑制暫態啁啾值增加傳輸長度約 25 公里。

3. 交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究

以交叉極化調變(CPM)轉換機制為主，交叉增益調變(XGM)轉換機制為輔，藉由靜態及動態的實驗過程，歸納出此兩種形式的波長轉換器在效能上的最佳工作範圍，

並且針對一對一及一對二之交叉極化調變波長轉換器在輸入光信號功率變化下做測試，證實交叉極化調變波長轉換器的穩定度及實用性。

圖 19 CPM 波長轉換器動態量測架構圖

(20)

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11

5 6 7 8 9 10 11

-4 -2 0 2 4 6

Initial condition @ Ps = 3dBm

ER (dB) S/N

Signal Power (dB)

圖 20 ER 及 S/N 隨輸入信號光功率變化之曲線圖

0 1 2 3 4 5

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 BER = 10^-9 BER = 10^-10

Power Penalty (dB)

Signal power (dBm)

圖 21 輸入信號光源功率變化下之功率償付値

6dB

(21)

2 3 4 5 6 7

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Probe Power = 4.65dBm

Power Penalty (dB)

Signal Power (dBm)

圖 21 XGM 波長轉換器在輸入信號光功率變化下之功率償付値

藉由實際的傳輸測試，驗證此兩種形式之波長轉換器的傳輸特性，並利用啁啾效應的量測，了解兩者在傳輸特性上的差異，主要是因為這兩種轉換機制所產生的啁啾效應極性不同，因此交叉極化調變轉換機制在傳輸特性上才會勝出。

10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6

-20 -18 -16 -14 -12

CPM back to back

CPM after 8km transmission CPM after 16km transmission CPM after 30km transmission CPM after 55km transmission

BER

Received Power (dBm)

圖 22 CPM 轉換信號誤碼率表現

利用交叉極化調變在傳輸特性上的優勢，並結合交叉增益調變之轉換機制，提出串接交叉增益調變與交叉極化調變(XGM+CPM)之雙級轉換機制，來提升交叉增益調變轉換信號在傳輸特性上的劣勢，成功地改善了交叉增益調變波長轉換器的傳輸特

6dB

1.65dB

(22)

性。此外，適當的功率條件控制，也可讓交叉增益調變之轉換信號在明滅比(ER)以及信雜比上有提升的效果。

4. 高密度分波多工系統的線上偏極化色散監測及補償高密度分波多工系統的線上偏極化色散監測及補償高密度分波多工系統的線上偏極化色散監測及補償高密度分波多工系統的線上偏極化色散監測及補償

偏極化色散(PMD)是當載有訊號的極化光在單模光纖中傳輸時，光會分解成兩道正交極化光。由於折射係數(refractive index)不均，傳輸時會產生速度上的差異，這現象稱為雙折射。對於單一波長所分解的兩極化光傳送至接收端的時間會有所差異，一般稱為差異的群速延遲(Differential group delay)簡稱 DGD，也就是本論文中所討論的一階偏極化色散。

偏極化色散效應會造成訊號變寬，圖 3 說明了偏極化色散對數位通訊的影響。對於理想的單模光纖，核心材質為等向性，為圓對稱折射率。當受到外界因素的破壞，光纖核心部份會造成材料非等向性變化，造成非對稱性折射率。

(23)

利用固定分析法量測一階偏極化色散,在訊號未加調變時，我們可以使用固定分析法來量測出一階的偏極化色散 DGD 值，圖 4 為量測架構圖。

圖 5 為聲光頻率與波長對照圖形，在此架構中我們選用的波段範圍為 1540nm 到 1560nm，間隔為 1nm。所對應的頻率如表 3。由圖 6 知道 ASE 在 1540nm 到 1560nm 這波段的頻譜圖並非完全平坦，最大功率差值約 4.25dBm。在此我們必須先做正規化的動作。

圖 3 偏極化色散對數位通訊系統之影 t

輸入訊號

t τ 輸出訊號 ∆

DGD

外部調變

調變器

掺鉺光纖放大器 DFB

雷射檢光器

Open eye Degraded eye

功率(W) 超寬頻自發

輻射放大光源 (ASE source)

光功率計

極化片

待測物

聲光可調濾波器

圖 4 利用聲光可調濾波器量測一階偏極化色散

45.5 46 46.5 47 47.5 48 48.5

1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

波長(nm) 聲

音頻率 (MHz)

(24)

在這裡我們所量的待測物為 1 公尺的極化保持光纖，是非耦合光纖。圖 7 是我們利聲光可調濾波器所量測出功率與波長的變化圖，由圖中我們可以觀察出波峰有四個點，波谷有四個點，總共產生八個極點，可求出延遲時間 DGD 約為 1.602 ps。實際量測設施與結果如圖 8。利用極化程度衰減量測一階偏極化色散在光纖網路中，訊號的傳送會經過調變再傳送，經過遠距離的傳輸會使極化程度產生衰減，主要是受到偏極化色散的影響。

波長波長波長波長 (nm) (nm) (nm) (nm)

聲音頻率聲音頻率聲音頻率聲音頻率

(MHz) (MHz) (MHz) (MHz)

功率功率功率功率 (dBm) (dBm) (dBm) (dBm) 1540 47 -17.4 1541 46.969 -16.8 1542 46.937 -16 1543 46.906 15.2 1544 46.875 -14.4 1545 46.844 -14.1 1546 46.812 -13.6 1547 46.781 -13.5 1548 46.75 -13.3 1549 46.719 -13.5 1550 46.687 -13.3 1551 46.656 -13.4 1552 46.625 -13.3 1553 46.594 -13.4 1554 46.562 -13.2 1555 46.531 -13.2 1556 46.5 -13 1557 46.469 -13.1 1558 46.437 -13.1 1559 46.405 -13.6 1560 46.374 -13.9 表 3 波長與聲音頻率及功率對照表

圖 6 超寬頻自發輻射放大(ASE)光源頻譜圖

(25)

0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14

1540 1545 1550 1555 1560

我們用圖 9 的架構，先使用不同的待測物來改變一階偏極化色散 DGD 值，隨著 DGD 值得加大，我們可以很明顯的發現極化程度會下降，如表 4。然後選用 90 公尺的極化保持光纖當待測物，慢慢的改變調變速度，隨著調變速度的增大，極化程度也會很明顯的下降如表 5，

當分光比為 0.5 時，退極化的效應會非常的顯著。實際量測設施與結果如圖 10。

在我們的實驗架構中，利用簡單的儀器來進行一階偏極化色散的量測，運用兩種不同方法來量測。於理論中，我們只針對一階偏極化色散討論，對於高階偏極化色散忽略，在未來我們可以深入的研究高階極化散的影響，利用高階偏極化色散來補償一階偏極化色散。

圖 7 利用聲光可調濾波器使用固定分析法之量測圖波長(nm)

正規化強度

圖 8 固定分析法量測儀器架構圖

超寬頻自發輻射放大光源 (ASE source)

極化片極化控制器

光功率器

主機

(26)

待測物待測物待測物

待測物 DGDDGDDGDDGD DOPDOP DOPDOP

無待測物 0ps 103%

30 公里長單模光纖 2.4ps 98%

10 公尺長極化保持光纖 16ps 94%

90 公尺長極化保持光纖 144ps 70%

待測物待測物待測物

待測物調調變速率調調變速率變速率變速率聲光可調聲光可調聲光可調聲光可調濾波器濾波器濾波器濾波器

90 公尺極化保持光纖 1G 91.2%

訊號傳送光功率計

極化片待測物聲光可調濾波器

功率(dBm) 極化控制器

NRZ調變

分光角度控制

圖 9 利用聲光可調率波器量測極化程度

極化片極化控制器

光功率器

主機

10G 高速調變器

圖 10 利用聲光可調率波器量測極化程度之儀器架構圖

表 4 10G 調變下的 DGD 與 DOP 變化表 5 不同調變速率下的 DOP 量測

(27)

V. 計畫成果自評計畫成果自評計畫成果自評計畫成果自評

1. 就本年度的預定進度而言，大部分工作項目進展順利且如期完成，已發表多篇論文於國際期刊和研討會，部份項目正申請專利。主要技術成果為：

(1) 以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究 以非同步取樣技術對光信號品質監控之研究

以一個動態可調式光切換開關做為光電取樣元件，以非同步取樣方式對 2.5Gbps 的傳輸信號做監控，此光開關具可調性光功率的輸出特性，藉由外部電壓調整輸出功率大小，達成取樣目的，利用低速(數百 MHz)取樣頻率對高速(數十 GHz) 信號做取樣，避免電路對高頻訊號作處理的複雜度，將取樣後訊號以統計方式分析，

進而估算實際 Q 值。並搭配光學元件--法步里-拍若析光器(Fabry-Perot Etalon)具有對色散做補償的能力，可利用即時估算出系統的 Q 值，當系統發生 Q 值下降的情形時，

以溫度控制的方法動態回授去控制析光器濾波波長的位置，達成色散補償效果，使系統自動維持於最佳的信號品質狀態。

關鍵詞：Q 值、監控模組、光取樣。

(2) 改善直接調變雷射特性之方法改善直接調變雷射特性之方法改善直接調變雷射特性之方法 改善直接調變雷射特性之方法

10Gb/s速率的直接調變雷射目前有商業化的產品，藉由使用直接調變雷射與 CWDM的技術，研究報告驗證在都會型網路的傳輸距離內，可以將傳輸容量增加到 320 Gb/s。然而，使用一般單模光纖(色散值為17ps/nm•km)做傳輸介質時，在沒有作色散補償情形下，直接調變雷射的頻率啁啾特性與單模光纖之色散作用下，將嚴重地限制最大的傳輸距離。

當資料速率到達10Gb/s以上，大部分的直接調變雷射在1550nm波段只能傳輸10 公里左右的單模光纖，主要受限的原因是雷射本身的頻率啁啾效應，這樣的傳輸性能不能夠符合大部分都會型網路的應用需求，所以實際上現有的系統中，網路建設者必須使用體積大或者是價格昂貴的光源解決方法，如使用外部調變器或是EML。

因此我們採用一個Fabry-Perot (FP) etalon 光濾波器元件加在雷射後端，降低頻率啁啾的效應，這個方法最大的好處是只需要ㄧ個簡單的光學元件就可以同時補償多個雷射，並且可以與雷射封裝在一起，實驗結果證實使用這個方法可以延伸傳輸距離到75公里左右而不需要作色散補償。

關鍵詞：CWDM 傳輸系統、色散監視、色散補償、光纖都會網路。

(3) 交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究交叉極化調變為主的波長轉換器之研究

我們主要探討半導體光放大器中的交叉極化調變機制，利用此一物理機制製作波長轉換器並找出波長轉換器的最佳工作條件及功率動態範圍。以誤碼率 10^-9下的功率償付値(power penalty)小於 1 dB 的基準來看，以一對一交叉極化調變波長轉換器而言，輸入信號光功率的動態範圍約 6 dB；而一對二的情況則有 5 dB 的動態範圍。此外我們也與交叉增益調變機制之波長轉換器做比較，證實交叉極化調變的波長轉換器對功率變化並不會特別敏感。