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系統識別號 U0002-0107200921344000
中文論文名稱 基於反射式半導體光放大器的分波多工被動光網路之設計
英文論文名稱 Design of Reflective Semiconductor Optical Amplifier-Based Wavelength-Division-Multiplexed Passive Optical Networks
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 謝廷霖
研究生英文姓名 Ting-Lin Hsieh
學號 696441095
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-06-19
論文頁數 141頁
口試委員 指導教授-楊淳良
委員-李三良
委員-劉政光
委員-李揚漢
委員-楊淳良
中文關鍵字 明滅比  法布里-珀羅濾波器  重複使用光  被動光網路  再次調變  半導體光放大器  分波多工 
英文關鍵字 Extinction Ratio(ER)  Fabry-Perot Filter  Light Reuse  Passive Optical Network(PON)  Path Protection  Re-modulation  Reflective Semiconductor Optical Amplifier(RSOA)  Wavelength Division Multiplexed(WDM) 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 論文提要內容:

被動光網路系統近期發展正朝向更高資料速率及遠距離傳輸,其中以分波多工被動光網路(Wavelength-Division-Multiplexed Passive Optical Network, WDM-PON)為最吸引人的方案。為了降低WDM-PON系統的成本,已有許多無色光源WDM-PON架構被提出。此外,在光網路單元(Optical Network Unit, ONU)中反射式半導體光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier, RSOA)是一種非常普遍使用的無色光源。
因此在本論文中我們提出新式基於RSOA的WDM-PON架構,使用10 Gbps直調雷射作為光線路端 (Optical Line Terminal, OLT)的光發射機,單顆1.25 Gbps RSOA作為ONU端的光發射機,以及法布里-珀羅濾波器作為波形整形器,其透射與反射濾波可用來達成同時明滅比提升與資料抹除的功能。在實驗上,以誤碼率量測證實上/下行訊號的效能均可獲得改善。在25公里光纖傳輸及誤碼率10-9的要求下,明滅比已提升的10 Gbps下行訊號可改善1.8 dB的功率償付值。在1.25 Gbps上行訊號方面,以資料抹除方式入射RSOA較以連續波方式只增加了0.5 dB的功率償付值,而資料抹除方式比沒有資料抹除方式改善了1.4 dB的功率償付值。
最後我們提出新式基於RSOA的WDM-PON之保護架構,饋送光纖(Feeder Fiber)與分佈光纖(Distribution Fiber)同時皆可獲得保護。
英文摘要 Abstract:
The latest development in passive optical network systems is evolving toward higher data rates and long-reach transmission distances, where wavelength-division-multiplexed passive optical networks (WDM-PONs) can be very attractive solutions. In order to reduce the cost of WDM-PON system, many WDM-PON architectures with colorless light were proposed. Additionally, an reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) is a very popular colorless source to be utilized in an optical network unit (ONU).
Thus in this thesis we proposed novel WDM-PON architectures based on RSOAs, which use 10 Gbps directly modulated lasers (DMLs) as the transmitters of an OLT, a single 1.25 Gbps RSOA as a transmitter of an ONU and Fabry-Perot filters as waveform reshapers, whose transmission and reflection filtering can be utilized to achieve the functions of simultaneous extinction ratio enhancement and data erasion. In experiments, the bit-error-rate (BER) measurement verifies the performance enhancement to the downstream and upstream signals. After transmission of 25 km and at the requirement for BER=10-9, for 10-Gbps downstream signal the decrease in the power penalty is better than 1.8 dB and for 1.25-Gbps upstream signal only 0.5 dB power penalty is observed by comparing the result with the re-modulated upstream signals using an additional CW pilot light. Compared to the transmission without data erasion, our scheme reduces the power penalty by about 1.4 dB.
Finally we proposed the protection architecture of novel RSOA-based WDM-PON, whose feeder fibers and distribution fibers can be protected simultaneously.
論文目次 目錄
第一章 緒論1
1.1 前言.1
1.2 研究動機4
1.3 論文架構7
第二章 雷射二極體和半導體光放大器介紹8
2.1 雷射二極體之類型8
2.1.1 法布里-珀羅雷射二極體(FP-LD)9
2.1.2 分佈反饋雷射二極體(DFB-LD)12
2.2 分佈反饋雷射二極體之特性15
2.2.1 偏壓電流與頻率啁啾的關係17
2.2.2 頻率啁啾對光訊號傳輸的影響21
2.2.3分佈反饋雷射二極體之溫度特性24
2.3 半導體光放大器之類型與特性26
第三章 光濾波器的介紹29
3.1 光濾波器之類型29
3.2 法布里珀羅濾波器之特性32
第四章 無色光源之分波多工被動光網路技術38
4.1 先前技術38
4.1.1 FP-LD 入射鎖模.38
4.1.2 RSOA直接調變40
4.2 法布里珀羅濾波器的應用43
4.2.1 誤碼率分析 44
4.2.2 明滅比與功率償付值的關係47
4.2.3 明滅比提升技術52
第五章 光訊號明滅比提升與資料抹除之模擬結果56
5.1 前言56
5.2 透射濾波58
5.2.1 透射濾波明滅比提升58
5.2.2 透射濾波資料抹除63
5.3 同時透射與反射濾波70
5.3.1 透射濾波明滅比提升與反射濾波資料抹除70
5.3.2 透射濾波資料抹除與反射濾波明滅比提升76
5.4 多通道之效能分析82
第六章 基於RSOA的WDM-PONs之設計86
6.1 WDM-PON保護架構之拓樸86
6.2 先前技術90
6.3 基於RSOA的WDM-PONs之新設計93
6.3.1 新型光開關93
6.3.2 新式基於RSOA的WDM-PON架構97
6.3.3 新式基於RSOA的WDM-PON保護架構100
第七章 光訊號明滅比提升與資料抹除之實驗結果108
7.1 干涉儀之特性量測108
7.2 同時明滅比提升與資料抹除112
7.2.1 資料抹除最佳工作點112
7.2.2 透射濾波明滅比提升與反射濾波資料抹除115
7.2.3 透射濾波資料抹除與反射濾波明滅比提升122
7.3 新式基於RSOA的WDM-PONs之效能分析128
7.3.1 一般架構128
7.3.2 保護架構132
第八章 結論與未來研究方向135
8.1 成果與討論135
8.1.1 一般架構135
8.1.2 保護架構136
8.2 未來研究方向137
參考文獻138

圖目錄
圖1.1 EPON與GPON示意圖2
圖1.2 WDM-PON示意圖3
圖1.3 以WDM-PON接取網路為主的都會型網路[1]3
圖1.4 保護架構種類[3]6
圖2.1 光的受激吸收、自發放射、受激放射8
圖2.2 雷射二極體之居量反轉示意圖9
圖2.3 法布里-珀羅基本特性11
圖2.4 法布里-珀羅雷射頻譜12
圖2.5 雷射二極體的增益與損失曲線13
圖2.6 單模態雷射二極體結構(a)DFB結構(b)DBR結構13
圖2.7 DFB頻譜圖15
圖2.8 頻率啁啾頻譜圖(a)暫態啁啾(b)靜態啁啾16
圖2.9 在不同的偏壓電流下,直調雷射的輸出光頻譜18
圖2.10在不同的調變電流下,直調雷射的輸出光頻譜18
圖2.11 直調雷射Turn-on Delay和jitter示意圖(a)沒有加偏壓電流(b)有加偏壓電流[7]19
圖2.12 Turn-on Delay與偏壓電流IB關係圖20
圖2.13 頻率啁啾在脈波上所造成的失真(a)只考慮靜態啁啾(b)只考慮暫態啁啾(c)兩個啁啾效應都考慮[8]22
圖2.14 模擬頻率啁啾對傳輸的影響(a)脈波(B-B)(b)眼形圖(B-B)(c)脈波(20km)(d)眼形圖(20km)23
圖2.15 不同溫度所造成的LI曲線圖24
圖2.16 不同溫度下造成的頻譜漂移25
圖2.17 半導體放大器種類(a)半導體光放大器(b)反射式光半導體放大器26
圖2.18 在不同偏壓電流下,RSOA的輸出光頻譜28
圖2.19 RSOA增益曲線圖(a)Ibias=80 mA(b)Ibias=60 mA29
圖3.1 不同種類的多工器與解多工器頻譜示意圖30
圖3.2 光纖光柵濾波器(a)示意圖(b)頻譜圖31
圖3.3 馬赫-曾德爾濾波器(a)示意圖(b)頻譜圖32
圖3.4 光入射法布里-珀羅濾波器示意圖33
圖3.5 法布里-珀羅濾波器透射與反射頻譜(a)透射頻譜(b)反射頻譜35
圖3.6 法布里-珀羅濾波器種類(a)析光器(b)干涉儀36
圖3.7 法布里-珀羅濾波器的結構(a)間隙法布里-珀羅濾波器(b) 內波導法布里-珀羅濾波器37
圖4.1 法布里-珀羅雷射入射鎖模先前技術架構[17]40
圖4.2 RSOA直接調變先前技術架構[19]41
圖4.3 RSOA飽和增益再次調變示意圖42
圖4.4 飽和增益再次調變先前技術架構圖[20]42
圖4.5 二進位信號誤碼機率(a)接收機後的訊號(b) 0與1高斯機率分布44
圖4.6 誤碼率與Q函數關係圖45
圖4.7 明滅比對功率償付值的關係[21]49
圖4.8 不同明滅比錯誤率量測(a)錯誤率曲線(b)功率償付值曲線50
圖4.9 在不同明滅比及可傳輸距離下,光訊號的誤碼率曲線51
圖4.10 不同明滅比與不同傳輸距離之功率償付值52
圖4.11 直調雷射輸出光訊號0與1訊號分解[22]53
圖4.12 單顆法布里-珀羅濾波器進行多通道明滅比提升[22]53
圖4.13 多顆法布里-珀羅濾波器進行多通道明滅比提升[2355
圖 5.1 直調雷射頻譜示意圖56
圖5.2 透射濾波明滅比提升模擬架構59
圖5.3 透射濾波提升明滅比(a)明滅比提升光頻譜(b)明滅比提升眼形圖60
圖5.4 原始明滅比2 dB時,不同透射係數所造成明滅比提升量61
圖5.5 原始明滅比2 dB時,不同透射係數所造成功率償付值(BER=10-10)61
圖5.6 原始明滅比3 dB時,不同透射係數所造成明滅比提升量62
圖5.7 原始明滅比3 dB時,不同透射係數所造成功率償付值(BER=10-10)62
圖5.8 直調雷射透射濾波資料抹除架構64
圖5.9 透射濾波資料抹除(a)資料抹除光頻譜(b)資料抹除眼形圖65
圖5.10 沒資料抹除再次調變與資料抹除再次調變眼形圖的比較(a)沒資料抹除再次調變(b)資料抹除再次調變66
圖5.11 原始明滅比2 dB,資料抹除再次調變功率償付值67
圖5.12 原始明滅比3 dB,資料抹除再次調變功率償付值67
圖5.13 原始明滅比4 dB,資料抹除再次調變功率償付值68
圖5.14 原始明滅比5 dB,資料抹除再次調變功率償付值68
圖5.15 同時透射明滅比提升反射頻譜資料抹除模擬架構71
圖5.16 透射明滅比提升與反射資料抹除光頻譜(a)明滅比提升(b)資料抹除72
圖5.17明滅比提升與資料抹除眼形圖(a) 明滅比提升眼形圖(b)資料抹除眼形圖72
圖5.18 再次調變後的眼形圖(a)沒有資料抹除再次調變(b)資料抹除再次調變73
圖5.19 同時透射明滅比提升與反射資料抹除的明滅比(ER=2 dB)74
圖5.20 同時透射明滅比提升與反射資料抹除的明滅比(ER=3 dB)74
圖5.21 同時透射明滅比提升與反射資料抹除的明滅比(ER=4 dB)75
圖5.22 同時透射資料抹除與反射明滅比提升之模擬架構76
圖5.23 同時透射資料抹除與反射明滅比提升之光頻譜圖(a)明滅比提升(b)資料抹除77
圖5.24 反射明滅比提升與透射資料抹除的眼形圖(a)明滅比提升眼形圖(b)資料抹除眼形圖78
圖5.25 2.5 Gbps再次調變眼形圖(a)沒有資料抹除再次調變(b)資料抹除再次調變78
圖5.26同時透射資料抹除與反射明滅比提升的明滅比(ER=2 dB)79
圖5.27 反射明滅比提升的功率償付值(ER = 2 dB)79
圖5.28 同時透射資料抹除與反射明滅比提升的明滅比(ER=3 dB)80
圖5.29 反射明滅比提升的功率償付值(ER=3 dB)80
圖5.30透射明滅比提升與反射資料抹除之多通道模擬架構82
圖5.31 多通道透射提升明滅比眼形圖(a) DML1 (b) DML283
圖5.32多通道反射資料抹除後之再次調變(a)MZM1(b)MZM283
圖5.33 透射資料抹除與反射明滅比提升之多通道模擬架構84
圖5.34多通道反射明滅比提升之眼形圖(a)DML1(b)DML284
圖5.35多通道透射資料抹除後之再次調變(a)MZM1(b)MZM285
圖6.1 不具保護之WDM-PON典型架構86
圖6.2 單一WDM-PON複製型保護架構[25]87
圖6.3 單一WDM-PON樹狀-環形(Tree-Ring)保護架構[26]88
圖6.4 多重WDM-PON相互(Mutual)保護架構[27-28]88
圖6.5 多重WDM-PON多重次環形保護架構[24]89
圖6.6 Colorless ONUs保護架構I[29]91
圖6.7 Colorless ONUs保護架構I波長配置圖[29]91
圖6.8 Colorless ONUs 保護架構II92
圖6.9 常見2x2開關(a)Bar-State(b)Cross-State93
圖6.10 非互易性2x2 bar-cross光開關[31]94
圖6.11 單一行進方向2x2 光開關[31]95
圖6.12 特殊的2x2光開關(模式1)96
圖6.13 特殊的2x2光開關(模式2)96
圖6.14 特殊的2x2光開關(模式3)97
圖6.15 同時明滅比提升與資料抹除之架構I99
圖6.16 同時明滅比提升與資料抹除之架構II99
圖6.17 基於RSOA的WDM-PON保護架構(正常狀態)100
圖6.18 基於RSOA的WDM-PON保護架構(下行饋送光纖發生斷點)102
圖6.19 基於RSOA的WDM-PON保護架構(下行分佈光纖發生斷點I)103
圖6.20 基於RSOA的WDM-PON保護架構(下行分佈光纖發生斷點II)104
圖6.21 基於RSOA的WDM-PON保護架構(上行饋送光纖發生斷點)105
圖6.22 基於RSOA的WDM-PON保護架構(上行分佈光纖發生斷點I)107
圖6.23 基於RSOA的WDM-PON保護架構(上行分佈光纖發生斷點II)107
圖7.1 法布里-珀羅干涉儀實圖109
圖7.2 法布里-珀羅干涉儀之光頻譜圖(RBW=0.05 nm, VBW=100 Hz)(a)透射頻譜(b)反射頻譜109
圖7.3 不同方向入射法布里-珀羅干涉儀示意圖110
圖7.4 不同方向入射法布里-珀羅干涉儀之光頻譜圖110
圖7.5 法布里-珀羅干涉儀溫度漂移之光頻譜圖(a)透射頻譜(b)反射頻譜111
圖7.6 資料抹除實驗設置113
圖7.7 資料抹除再次調變之誤碼率114
圖7.8不同光功率入射RSOA再次調變之誤碼率115
圖7.9 干涉儀透射明滅比提升與反射資料抹除之實驗設置116
圖7.10 同時透射明滅比提升與反射資料抹除的光頻譜圖(a)提升頻譜(b)資料抹除頻譜117
圖7.11 10 Gbps直調雷射下行訊號的眼形圖(a)未經過干涉儀(B-B) (b)未經過干涉儀(25 km) (c)經過干涉儀濾波(B-B) (d)經過干涉儀濾波(25 km)118
圖7.12 1.25 Gbps RSOA 再調變上行訊號的眼形圖(a)CW入射RSOA(B-B) (b)CW入射RSOA(25 km) (c)資料抹除入射RSOA(B-B) (d)資料抹除入射RSOA(25 km) (e)沒有資料抹除入射RSOA(B-B) (f)沒有資料抹除入射RSOA(25 km)119
圖7.13 法布里-珀羅干涉儀濾波位置與光訊號明滅比與Q值的關係(a)下行訊號(b)上行訊號120
圖7.14 同時透射濾波明滅比提升與反射濾波資料抹除之穩定度121
圖7.15 同時透射資料抹除與反射明滅比提升之實驗設置122
圖7.16 同時透射資料抹除與反射明滅比提升之光頻譜圖(a)提升頻譜(b)資料抹除頻譜123
圖7.17下行訊號反射濾波明滅比提升(a) 經過干涉儀濾波(B-B) (b) 經過干涉儀濾波(25 km)123
圖7.18 上行訊號透射資料抹除後之再次調變(a)資料抹除入射RSOA(B-B) (b) 資料抹除入射RSOA(25 km)124
圖7.19干涉儀濾波位置與明滅比及Q值的關係(a)下行訊號(b)上行訊號125
圖7.20 同時透射濾波資料抹除與反射濾波明滅比提升之穩定度125
圖7.21 透射與反射明滅比提升之誤碼率比較(PRBS=27-1)127
圖7.22 透射與反射明滅比提升之誤碼率比較(PRBS=231-1)127
圖7.23 新式基於RSOA的WDM-PONs架構128
圖7.24 下行訊號誤碼率量測129
圖7.25 上行訊號誤碼率量測129
圖7.26 新式基於RSOA的WDM-PONs保護架構之實驗設置132
圖7.27 保護架構下行訊號之誤碼率量測134
圖7.28 保護架構上行訊號之誤碼率量測134
圖8.1 10Gbps直調雷射資料抹除,再利用10 Gbps外部調變器做再次調變(a)B-B(b)25km137

表目錄
表1.1 光元件及設備之故障率及故障修復所需時間5
表2.1 不同溫度下,DFB雷射所產生的漂移量25
表2.2 反射式光半導體放大器規格表(Ibias=50 mA)27
表4.1 不同明滅比所造成的功率償付值關係表49
表5.1 在不同透射係數所造成的精細度與f3dB與明滅比提升量關係表59
表7.1 溫度所造成法布里-珀羅濾波器頻譜漂移112
表7.2 下行訊號光功率預算計算表131
表7.3 入射RSOA光功率預算計算表131
表7.4 上行訊號光功率預算計算表131

參考文獻 參考文獻
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