本論文針對未來對稱式WDM-PON設計出新式光放大器保護架構，而其架構中最關鍵的元件為智能光放大器(Smart Optical Amplifiers)，它可以突破一般光放大器單一向傳輸的限制，提供光放大方向可逆的功能，且更進一步提供光返回路徑斷開與閉合，可避免在放大光信號時，因光返回路徑的存在而造成光纖中雷利背向散射(Rayleigh Backscattering)所造成的影響，以提升智能光放大器的效能。
最後，提出各種不同類型的智能光放大器，可以依照不同的情境與狀況使用不同功能的智能光放大器，並且設計一個智能控制器來控制其中一種類型的智能光放大器，使其能夠自動地判斷與切換所需的狀態，達成可逆光放大方向以及光返回路徑閉合/斷開之功能。

In this thesis, a novel protection architecture of optical amplifiers in future symmetric WDM-PON has been proposed. The key component of proposed protection architecture is Smart Optical Amplifier(SOA), where the function of the reversible amplifying direction can break the limitation of a fixed direction of generic optical amplifiers. Moreover, SOA with the optical return path ON/OFF states can respectively meet the requirements of fiber-link monitoring and reducing the existing Rayleigh backscattered light over the optical return path to improve its performance.
Finally, various types of SOA have been designed and discussed to meet future different situations and scenarios. In addition, the smart controller of type-1 SOA has been demonstrated, which can intelligently determine and switch the required state to achieve the ability of direction-reversible optical amplifying and optical return path ON/OFF.

目錄
第一章　簡介	1
1.1前言	1
1.2研究動機	2
1.3論文架構	4
第二章　智能光放大器(SOA)之類型	5
2.1 類型1 SOA	5
2.2 類型2 SOA	10
2.3 類型3 SOA	12
2.4 類型4 SOA	13
2.5 類型5 SOA	14
第三章　智能光放大器之應用架構	17
3.1 雙向放大之應用架構	17
3.1.1 摻鉺光纖放大器雙向放大架構	17
3.1.2 智能光放大器雙向放大架構	18
3.2 保護應用之架構	23
3.2.1 一般OLT端的保護架構簡介	23
3.2.2 智能光放大器OLT端之保護應用架構	26
第四章　類型1 SOA之光路徑	60
4.1 相關光元件介紹	31
4.1.1 光開關	31
4.1.2 光循環器	40
4.2 光路徑單元之架構	44
第五章　類型1 SOA之控制電路	50
5.1 簡介	50
5.2 音頻解碼器	51
5.3 光開關驅動電路	53
第六章　類型1 SOA之特性量測	60
6.1 波長相關插入損耗	61
6.2 智能控制器之接收靈敏度	64
6.3 光放大方向切換速度	65
6.4 光返回路徑開/閉時間	66
6.5 光返回路徑狀態	71
6.6 波長相關光放大增益	73
6.7 極化相關參數	78
第七章　結論	81
7.1成果與討論	81
7.2未來研究方向	82
參考文獻	83

圖目錄
圖1.1 智能光放大器功能圖	3
圖2.1 類型1 SOA架構圖	5
圖2.2 類型1 SOA狀態一示意圖	6
圖2.3 類型1 SOA狀態二示意圖	7
圖2.4 類型1 SOA狀態三示意圖	8
圖2.5 類型1 SOA狀態四示意圖	9
圖2.6 EDFA的三種Pump架構	10
圖2.7 類型2 SOA工作原理圖	11
圖2.8 類型2 SOA組態變化示意圖	11
圖2.9 類型3 SOA之工作狀態圖	12
圖2.10 類型4 SOA架構圖	13
圖2.11 類型4 SOA簡化架構圖	14
圖2.12 類型5 SOA架構圖	15
圖3.1 摻鉺光纖放大器雙向放大架構	17
圖3.2 智能光放大器雙向放大架構圖	18
圖3.3 上行/下行光在智能光放大器中傳輸路徑圖	19
圖3.4 4-Port光循環器規格表	21
圖3.5 智能光放大器雙向放大架構操作於單向下行光放大	21
圖3.6 智能光放大器雙向放大架構操作於單向上行光放大	22
圖3.7 智能光放大器雙向放大架構操作於上/下行光放大	22
圖3.8 上/下行光各使用不同頻段光傳輸圖	23
圖3.9 OLT端的保護架構	24
圖3.10 EDFA的保護架構圖	25
圖3.11 新式EDFA保護架構圖	26
圖3.12 Smart OA對於EDFA的保護架構	26
圖3.13 Tx放大保護架構示意圖	27
圖3.14 Rx放大保護架構示意圖	27
圖3.15 保護架構之控制與方塊圖	28
圖3.16 類型2 SOA之保護架構示意圖	29
圖4.1 光塞取分波多工濾波器	32
圖4.2 聲光式光開關示意圖	33
圖4.3 氣泡式光開關示意圖	34
圖4.4 電控全像式光開關示意圖	34
圖4.5 液晶式光開關示意圖	35
圖4.6 熱光式光開關(數位光纖型)示意圖	36
圖4.7 熱光式光開關(干涉型)示意圖	36
圖4.8 2x2 MEMS光開關示意圖	37
圖4.9 靜電式致動器光開關示意圖	38
圖4.10 梳狀致動器光開關示意圖	38
圖4.11 抓爬致動器光開關示意圖	39
圖4.12 3-Port與4-Port光循環器之光路徑示意圖	40
圖4.13 光循環器用於雙向傳輸系統	41
圖4.14 全通式與非全通式的4-Port光循環器	42
圖4.15 使用法拉第旋轉裝置的光循環器架構	42
圖4.16 Multi-Port Optical Circulator基礎架構	43
圖4.17 波導架構光循環器	43
圖4.18 可逆式光循環器之示意圖	44
圖4.19 智能光放大器架構圖	45
圖4.20 類型1 SOA預設放大方向	45
圖4.21 類型1 SOA轉向放大	46
圖4.22 同時輸入光訊號示意圖	46
圖4.23 返回路徑斷開/閉合示意圖	46
圖4.24 調變訊號切換示意圖	47
圖4.25 燒結法與平面波導分光器圖	48
圖4.26 分光器隔離度示意圖	49
圖5.1 類型1 SOA控制電路架構	50
圖5.2 控制電路操作流程圖	51
圖5.3 音頻解碼器內部架構與腳位圖	52
圖5.4 音頻解碼器電路設計	53
圖5.5 脈衝方式驅動光開關示意圖	54
圖5.6 光返回路徑光開關之驅動電路及狀態圖	55
圖5.7 OPA電壓隨耦器	55
圖5.8 AD8304 IC架構圖	56
圖5.9 反相輸入比較器	57
圖5.10 UA741放大器接法	57
圖5.11 自動控制電路接收端之設計	58
圖5.12 類型1 SOA驅動電路圖	58
圖5.13 類型1 SOA PCB圖	59
圖6.1 EDFA規格表	60
圖6.2 輸入/輸出端鏈路損耗定義	62
圖6.3 類型1 SOA架構與光放大器最低限制輸入能量關係	63
圖6.4 智能控制器之接收靈敏度測試與結果	64
圖6.5 智能控制器之接收端之有效傳輸距離	65
圖6.6 光放大方向切換速度測試架構圖	65
圖6.7 光放大方向切換速度測試結果	66
圖6.8 光返回路徑開/閉時間測試架構	66
圖6.9 輸入訊號頻率為1KHz方波結果	67
圖6.10 輸入訊號頻率為2KHz方波結果	67
圖6.11 輸入訊號頻率為10KHz方波結果	68
圖6.12 多通道訊號輸入時PD飽和示意圖	69
圖6.13 多通道控制返回路徑架構一	69
圖6.14 多通道控制返回路徑架構二	70
圖6.15 多通道控制返回路徑架構三	71
圖6.16 光返回路徑狀態測試架構設置圖	71
圖6.17 狀態三和狀態四的光路徑說明圖	72
圖6.18 OTDR所測得類型1 SOA四種狀態下之軌跡圖	73
圖6.19 波長相關光放大增益量測架構圖	74
圖6.20 波長相關光放大增益量測損耗圖	75
圖6.21 輸入光功率對應輸出光功率的量測架構圖	76
圖6.22 狀態一和狀態二之輸入光功率對應輸出光功率	77
圖6.23 狀態三和狀態四之輸入光功率對應輸出光功率	78
圖6.24 極化相關參數量測架構圖	79
圖7.1 OLT端光放大器保護架構最佳配置圖	82

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	2
表2.1 EDFA的三種Pump架構特性之比較	10
表2.2各類型智能光放大器之比較表	16
表3.1 光循環器隔離度量測結果	20
表4.1 各類型光開關之比較	39
表6.1 光控單元內各元件的插入損耗	61
表6.2 類型1 SOA插入損耗	62
表6.3 各種不同類型EDFA模組輸入限制	63
表6.4 規格書提供之極化相關損耗	79
表6.5 極化損耗測試結果	80

[1] 姚方凱, 智慧型光放大器之研究, 淡江大學電機工程學系研究所論文, 2012.
[2] 陳瑞鑫, 何建業, 蔡家欣, 陳令曉, 周文建, 王勝緯, 光波導一對五分光器, 龍華學報 第十八期, P63~73, 2005.
[3] 楊淳良, 趙亮琳, 李揚漢, 許立根, 譚昌文, 洪鴻文, 曹士林, 光纖通信網路, 五南文化事業, 2007, P63.
[4] 深圳市嘉億通科技有限公司, PLC分光器工作原理介紹, 企業新聞,  http://jytg.cn.gongchang.com/news/333984.html, 2010.
[5] N. A. Riza, and N. Madamopoulos, “Compact Switched Retroreflection Based 2X2 Optical Switching Fabric for WDM Applications,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, No. 1, Jan. 2005.
[6] W. Z. Li and S. Jose, Method and Apparatus for Optical Switching, United States Patent, US7116480B1, 2006.
[7] G. Coppola, L. Sirleto, I. Rendina, and M. Iodice, “Advance in Thermo-Optical Switches: Principles, Materials, Design, and Device Structure,” Optical Engineering, Vol. 50, No. 7, 2011.
[8] R. T. Chen, H. Nguyen, and M. C. Wu, “A High-Speed Low-Voltage Stress-Induced Micromachined 2x2 Optical Switch,” IEEE Photonics Letters, 11, pp 1396-1398, 1999.
[9] A. Michael, C. Y. Kwok, M. A. Hafiz and Y. W. Xu, Optical Fibre on a Silicon Chip, Current Developments in Optical Fiber Technology, Dr. Sulaiman Wadi Harun (Ed.), 2013.
[10] S.-S. Lee, E. Motamedi, and M. C. Wu, “Surface-Micromachined Free-Space Fiber Optic Switches,” lnternational Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 1997.
[11] 李其翰, 進階型2x2光開關之設計與製作,淡江大學電機工程學系研究所論文, 2012.
[12] G. I. Papadimitriou, C. Papazoglou, and A. S. Pomportsis, “Optical Switching : Switch Fabrics, Techniques, and Architectures,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 2, Feb. 2003.
[13] R. Lenz, Introduction to all optical switching technologies, 2003. http://www.2cool4u.ch/wdm_dwdm/intro_allopticalswitching/intro_allopticalswitching.htm
[14] 吳智誠, 微機電雙光柵之光調制器, 國立中央大學光電科學研究所, 2004.
[15] 洪健庭, 磁光元件之延伸設計及其應用, 淡江大學電機工程學系研究所論文, 2008.
[16] L. He, A. Mizrahi, Multi-Port Optical Circulator, United States Patent, US20130251299A1, 2013.
[17] S. Christian and C. Dominique, Bidirectional Optical Amplifier, European Patent, EP2333991A1, 2011.
[18] Y.-M. Kim, T.-H. Kim, J.-H. Bae, B.-W. Kim, and H.-S. Park, “A Novel Protection Architecture for WDM-PON,” International Conference on Optical Internet (COIN 2006), Paper MoB2-4, Jul. 9-13, 2006.
[19] C.-L. Yang, D.-Z Hsu, S.-L. Lee, and J.-T. Hong, Reconfigurable optical amplifier, reversible optical circulator, and optical signal transmission system, United States Patent, US8077385, Dec. 13, 2011.
[20] Analog Devices Inc, 160dB Range(100pA-10mA)Logarithmic Converter, http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8304.pdf, 2002.
[21] National Semiconductor Corporation, LM567/LM567C Tone Decoder, http://www.ee.mut.ac.th/datasheet/doc/LM567.pdf, 1999.
[22] Philips Semiconductors, NE567/SE567 Tone decoder/phase-locked loop, http://www.sonoma.edu/users/m/marivani/datasheets/misc/NE567.pdf, 2002.