Chapter 2. 光 纖 通 信 技 術 介 紹 林 晏 瑞

光 通 信 簡 介 光 可 藉 由 彎 曲 水 流 的 導 引 行 進 (1860 年 ) 1970 年 第 一 個 真 正 低 損 失 的 光 纖 被 發 展 出 光 線 藉 由 玻 璃 纖 維 或 是 水 流 的 導 引 已 被 證 實 是 同 一 現 象 ( 即 全 反 射 )

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 高 頻 寬 理 論 上, 通 訊 載 波 的 頻 率 越 高, 其 可 載 送 之 通 訊 容 量 即 越 大 目 前 光 纖 通 訊 用 光 波 14 15 頻 率 約 在 Hz 間, 遠 大 於 電 波 頻 率 10 10 ~ 10 6 9 ~ 10 Hz 傳 統 同 軸 電 纜 的 通 訊 頻 寬 約 為 500MHz, 微 波 通 訊 的 頻 寬 約 為 700MHz, 均 遠 不 及 現 今 單 模 光 纖 的 數 百 GHz 頻 寬 與 多 模 光 纖 的 數 GHz 頻 寬

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 低 損 失 在 光 纖 通 訊 常 用 波 長 l=1550nm 處, 石 英 玻 璃 光 纖 的 光 損 耗 約 為 0.2~0.25dB/km, 相 較 於 傳 統 電 纜 的 傳 輸 損 耗, 其 所 需 中 繼 放 大 之 距 離 已 提 升 數 十 倍, 如 此 大 大 降 低 了 系 統 的 建 設 成 本, 因 此 光 纖 非 常 適 合 做 中 長 距 離 的 傳 輸 媒 介

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 徑 細 質 輕 玻 璃 裸 光 纖 外 徑 約 為 125μm, 加 上 披 覆 層 後 其 外 徑 也 只 在 250~900μm, 而 且 玻 璃 的 密 度 也 遠 比 銅 線 為 低, 這 將 使 光 纖 非 常 方 便 鋪 設, 不 管 是 置 於 管 路 中 架 空 或 直 埋 於 地 下, 皆 能 大 為 減 低 所 需 空 間 與 鋪 設 難 度

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 不 受 電 磁 干 擾 光 纖 材 料 SiO2 為 電 的 絕 緣 體, 不 會 受 到 電 磁 波 的 干 擾, 非 常 適 合 在 有 電 波 干 擾 或 多 雷 電 的 區 域 取 代 電 纜 通 訊 系 統, 即 使 光 訊 號 在 電 氣 化 鐵 路 沿 線 鋪 設 的 光 纖 中 行 進, 也 不 會 劣 化, 也 可 沿 著 電 力 線 走 此 外, 因 光 纖 為 一 介 質 光 波 導, 只 傳 輸 光 訊 號, 不 會 產 生 火 花, 抗 高 溫 且 耐 酸 鹼, 因 此 也 很 適 合 佈 放 在 瓦 斯 管 線 水 溝 等 各 種 環 境 中

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 保 密 性 高 傳 統 電 波 訊 號 在 金 屬 傳 輸 線 中 傳 輸, 極 易 因 輻 射 外 洩 而 使 訊 號 被 竊 取 光 纖 為 一 介 質 光 波 導, 無 電 波 輻 射 外 漏 的 問 題, 而 且 不 易 被 偷 接, 因 此 非 常 適 合 於 保 密 性 要 求 較 高 之 通 訊 網 路 系 統

以 光 纖 為 傳 輸 媒 介 的 優 點 : 原 料 豐 富 光 纖 主 要 成 分 為 SiO2, 其 原 料 資 源 豐 富, 而 且 大 量 生 產 技 術 已 成 熟, 這 使 得 光 纖 的 低 生 產 成 本 將 能 維 持 很 長 久

光 纖 通 訊 系 統 考 量 因 素 1 光 纖 種 類 2 光 源 的 選 擇 (LED, LD) 3. 光 接 收 器 的 選 擇 (PIN, APD) 4. 調 變 的 形 式 5. 光 纖 被 動 元 件 6 多 工 策 略 (WDM) 7. 光 放 大 器

光 纖 種 類 : 單 模 態 光 纖 單 模 態 光 纖 之 色 散 值 相 當 低, 其 主 要 之 色 散 為 材 料 色 散 (Material Dispersion) 及 波 導 色 散 (Wavegnide Dispersion) 單 模 態 光 纖 在 1.55 微 米 處 不 僅 色 散 值 接 近 於 零 而 且 其 損 失 值 亦 最 小 色 散 值 小 可 以 增 加 頻 帶 寬, 亦 即 可 以 提 高 傳 輸 容 量, 而 損 失 值 低 可 以 增 加 傳 輸 距 離

光 纖 種 類 : 多 模 態 光 纖 多 模 態 光 纖 之 幾 何 結 構 為 核 心 直 徑 約 為 50~62.5 微 米, 外 殼 直 徑 約 為 125 微 米 光 纖 核 芯 中 除 了 基 本 模 態 之 外, 尚 有 多 個 較 高 階 態 同 時 存 在 由 於 其 數 值 孔 徑 (Numerical Aperture) 較 大, 可 以 同 時 有 多 個 模 態 耦 合 進 入 光 纖 中 多 模 態 光 纖 之 色 散 較 為 嚴 重, 其 主 要 之 色 散 來 源 為 模 態 間 色 散

光 源 的 選 擇 在 光 纖 通 訊 系 統 中 所 使 用 之 光 源, 主 要 有 發 光 二 極 體 和 半 導 體 雷 射 兩 種 在 光 纖 通 訊 系 統 中, 對 於 使 用 的 光 源 之 要 求 有 下 列 幾 點 : 1. 光 源 之 發 光 波 長 應 符 合 目 前 光 纖 通 訊 之 三 個 傳 輸 波 段 : 850 1300 和 1550 nm 2. 足 夠 又 穩 定 的 輸 出 光 功 率 所 須 驅 動 功 率 低 反 應 速 度 快 以 及 電 光 轉 換 線 性 度 佳 等

半 導 體 材 料 之 發 光 原 理 半 導 體 之 發 光 原 理 可 以 用 能 帶 觀 念 來 解 釋, 也 就 是 半 導 體 原 子 之 外 層 電 子 可 以 處 在 兩 個 不 同 之 能 帶 -- 價 電 帶 和 導 電 帶 之 上 導 電 帶 電 子 hf hf hf E g hf hf 電 洞 價 電 帶 (a) 受 激 吸 收 (b) 自 發 放 射 (c) 受 激 放 射

光 源 之 譜 線 寬 度 (Linewidth) 要 窄 光 源 之 譜 線 寬 度 直 接 影 響 到 光 纖 之 色 散 特 性, 限 制 了 傳 輸 速 率 和 傳 輸 距 離 相 對 強 度 線 寬 波 長

半 導 體 雷 射 之 工 作 原 理 半 導 體 雷 射 除 了 有 受 激 輻 射 的 條 件 外, 還 要 有 粒 子 數 反 轉 分 布 狀 態 和 共 振 腔 粒 子 數 反 轉 分 布 : 要 使 雷 射 介 質 產 生 光 放 大, 必 須 使 介 質 中 受 激 輻 射 大 於 受 激 吸 收, 此 時 介 質 中 原 子 數 出 現 反 轉 分 布 共 振 腔 : 共 振 腔 的 作 用, 一 方 面 是 使 得 一 些 滿 足 共 振 條 件 的 光, 在 往 返 多 次 振 盪 中 得 到 放 大 ; 同 時 也 使 得 那 些 不 能 滿 足 共 振 條 件 的 光 在 往 返 中 逐 漸 消 失, 因 此 可 以 得 到 一 定 的 振 盪 模 式 之 雷 射 光 輸 出

半 導 體 雷 射 之 工 作 原 理 共 振 腔 之 幾 何 尺 寸 一 般 遠 大 於 腔 中 振 盪 光 波 的 工 作 波 長 腔 中 的 光 波 在 兩 個 反 射 鏡 面 之 間 來 回 的 反 射, 當 頻 率 和 振 幅 相 同 而 方 向 相 反 的 波 合 成 時, 在 某 些 點 上 會 相 互 加 強, 另 一 些 點 上 會 相 互 抵 消, 形 成 所 謂 駐 波 狀 態 其 共 振 條 件 是 要 求 入 射 光 波 和 反 射 光 波 同 相 位, 即 在 共 振 腔 內 走 一 來 回 時, 相 位 改 變 量 是 2π 的 整 數 倍

光 接 收 器 光 發 射 器 發 出 的 光 訊 號 經 傳 輸 通 道 的 傳 輸 後, 強 度 與 波 形 均 已 失 真 光 接 受 器 的 功 能 就 是 檢 測 此 微 弱 光 訊 號, 並 予 以 放 大 整 型 再 生 調 解 成 原 輸 入 訊 號

光 接 收 器 的 組 成 (1) 光 電 轉 換 器 : 光 偵 測 器 利 用 光 電 效 應, 將 輸 入 光 強 度 線 性 轉 換 成 輸 出 電 流, 其 元 件 特 性 需 求 是 靈 敏 度 高 反 應 速 度 快 與 雜 訊 小 (2) 訊 號 處 理 器 : 將 電 流 訊 號 先 轉 換 成 電 壓 訊 號, 並 進 行 放 大 濾 波 時 脈 恢 復 與 訊 號 解 調 等 動 作

光 接 收 器 的 選 擇 在 光 纖 通 訊 系 統 中, 光 接 收 器 (Optical receiver) 之 任 務 是 以 最 小 之 附 加 雜 訊 及 失 真, 恢 復 或 檢 測 出 光 載 波 所 攜 帶 之 信 息 光 接 收 器 中 將 光 信 號 轉 換 為 電 信 號 之 元 件, 稱 為 檢 光 器 (Photo-detector) 其 基 本 原 理 是 利 用 光 電 效 應 來 實 現 光 電 轉 換 的

PIN 光 二 極 體 兩 種 工 作 模 式 光 電 壓 模 式 : 未 加 逆 向 偏 壓, 入 射 光 子 被 材 料 吸 收 經 過 光 電 轉 換 產 生 順 向 偏 壓, 即 太 陽 能 電 池 方 式 光 導 模 式 : 在 PIN 二 極 體 兩 端 加 逆 向 偏 壓, 輸 出 感 應 電 流 之 大 小 與 入 射 光 強 度 成 正 比 光 纖 通 信 系 統 接 收 端 屬 此 種 模 式

PIN 檢 光 二 極 體 為 保 證 檢 光 二 極 體 具 備 響 應 速 度 快 和 效 率 高, 減 小 零 電 場 p 與 n 區 之 厚 度 而 增 加 空 乏 區 之 厚 度, 並 且 避 免 在 零 電 場 區 產 生 電 子 - 電 洞 對 要 增 加 空 乏 區 的 厚 度, 通 常 會 將 n 層 做 成 輕 摻 雜, 使 空 乏 區 變 厚 為 了 製 成 低 電 阻 之 接 觸, 在 輕 摻 雜 的 n 層 之 兩 端 再 做 成 重 摻 雜 之 p 層 和 n 層, 並 且 使 其 寬 度 變 窄 或 厚 度 變 薄

PIN 檢 光 二 極 體 PIN 光 二 極 體 具 有 很 寬 的 本 質 半 導 體 層 此 本 質 層 中 無 自 由 電 荷, 所 以 阻 抗 高, 二 極 體 電 壓 幾 乎 跨 於 其 兩 端 而 產 生 強 電 場 由 於 本 質 層 寬, 所 以 入 射 光 子 在 此 區 中 被 吸 收 的 機 率 比 在 p 或 n 區 中 要 高 很 多, 可 以 改 善 p-n 光 二 極 體 的 效 能 與 速 度

APD 光 二 極 體 為 克 服 PIN 光 二 極 體 之 缺 點, 讓 光 電 流 在 其 內 部 先 進 行 放 大, 具 有 這 種 功 能 之 檢 光 器 就 稱 為 崩 潰 光 二 極 體 (Avalanche Photo-Diode, APD) 崩 潰 光 二 極 體 反 應 率 較 p-n 及 PIN 元 件 佳 APD 光 二 極 體 通 常 是 PIN 二 極 體 的 變 形, 材 料 使 用 與 頻 譜 範 圍 皆 相 同

APD 光 二 極 體 PIN 光 二 極 體 之 工 作 偏 壓 一 般 在 5 V 左 右, 而 APD 光 二 極 體 之 負 向 偏 壓 很 高, 可 達 50~150 V APD 為 內 部 增 益 的 元 件, 所 以 會 有 較 佳 的 訊 號 雜 訊 比

APD 光 二 極 體 在 p-n 接 面 內 形 成 之 強 大 電 場, 當 入 射 光 子 在 本 質 半 導 體 層 吸 收 所 激 發 出 的 自 由 載 子 在 經 過 時, 獲 得 很 大 之 動 能, 而 使 其 運 動 速 度 加 快 載 子 在 高 速 運 動 過 程 中, 會 與 晶 格 之 原 子 發 生 碰 撞, 使 價 電 帶 之 電 子 得 到 能 量 越 過 禁 帶 到 達 導 電 帶, 產 生 新 的 電 子 - 電 洞 對, 新 的 載 子 在 此 強 電 場 中 又 被 加 速, 再 次 碰 撞, 又 激 發 出 新 的 載 子, 經 重 複 多 次 碰 撞 後, 便 會 使 得 載 子 速 度 增 加, 因 而 造 成 光 電 流 之 速 度 增 大 而 形 成 雪 崩 倍 增 效 應

PIN 與 APD 光 二 極 體 之 比 較 靈 敏 度 : PIN 光 二 極 體 無 放 大 作 用 增 益 值 約 為 1 APD 光 二 極 體 有 累 積 訊 號 的 作 用, 增 益 值 可 達 數 百, 因 此 在 偵 測 微 弱 訊 號 上, APD 光 二 極 體 有 較 高 之 靈 敏 度

PIN 與 APD 光 二 極 體 之 比 較 偏 壓 : PIN 光 二 極 體 逆 向 偏 壓 在 數 十 伏 特 以 下 APD 光 二 極 體 逆 向 偏 壓 高 達 數 百 伏 特 雜 訊 免 疫 力 :PIN 光 二 極 體 無 累 崩 過 程, 所 以 雜 訊 免 疫 力 較 高 溫 度 影 響 :APD 光 二 極 體 增 益 值 易 受 溫 度 變 化 所 影 響, PIN 光 二 極 體 受 溫 度 影 響 較 小

PIN 與 APD 光 二 極 體 之 比 較 成 本 : 因 APD 光 二 極 體 結 構 較 PIN 光 二 極 體 複 雜, 固 APD 光 二 極 體 成 本 較 高 結 構 :APD 光 二 極 體 結 構 較 PIN 光 二 極 體 複 雜 在 光 纖 通 訊 系 統 中, 當 系 統 為 長 距 離 傳 輸 而 要 限 制 損 耗 時 才 會 用 到 APD, 因 為 APD 可 以 增 測 微 弱 光 元 所 以 可 以 使 光 纖 通 訊 系 統 的 有 效 距 離 加 長

調 變 的 形 式 在 光 纖 通 訊 中 實 現 調 變 的 方 法 有 兩 種 : 直 接 調 變 : 即 直 接 在 光 源 上 進 行 調 變, 這 是 目 前 廣 泛 採 用 之 調 變 方 式, 直 接 調 變 半 導 體 光 源 之 注 入 電 流 間 接 調 變 : 在 光 源 輸 出 之 通 路 上 外 加 調 變 器 來 對 光 波 進 行 調 變, 此 調 變 可 透 過 電 光 效 應 或 聲 光 效 應 等, 利 用 晶 體 傳 輸 特 性 隨 電 壓 變 化 來 實 現 對 光 波 之 調 變

直 接 調 變 目 前 常 用 之 直 接 調 變 方 法 有 下 列 三 種 : 類 比 強 度 調 變 (Analog Intensity Modulation,AIM), 這 種 方 式 與 基 帶 (Baseband) 傳 輸 類 似 脈 衝 位 置 調 變 (Pulse Position Modulation,PPM), 這 種 方 式 適 應 光 源 和 檢 光 器 之 特 性, 實 際 上 仍 屬 於 類 比 調 變 數 位 調 變, 如 PCM-IM(Pulse Code Modulation- Intensity Modulation), 這 是 光 纖 通 訊 最 常 用 之 調 變 方 式

間 接 調 變 價 格 較 貴 調 變 速 率 可 達 40Gb/s 非 常 小 的 啁 啾 常 見 有 EAM(Electro-Absorption Modulator) 和 Mach-Zender Modulator 兩 種

一 般 若 系 統 傳 輸 速 率 在 10Gb/s 以 上, 則 電 光 轉 換 多 採 用 外 部 調 變 (External modulation) 的 方 式, 在 雷 射 光 源 外 再 加 入 光 調 制 器 (Optical modulator), 以 外 加 電 壓 訊 號 轉 換 為 光 強 度 變 化 訊 號

主 動 元 件 與 被 動 元 件 之 區 分 : 光 纖 通 訊 中 的 主 動 元 件 係 指 會 發 光 或 收 光 者, 及 將 光 放 大 的 元 件 : 如 發 射 端 的 雷 射 或 接 受 器 以 及 光 放 大 器 等 ; 其 餘 在 光 纖 通 訊 系 統 中, 不 需 要 外 加 能 量 來 源 便 可 產 生 作 用 的 元 件, 亦 即 純 粹 對 光 訊 號 作 各 種 形 式 傳 輸, 而 不 牽 涉 光 能 和 電 能 轉 換 的, 即 稱 為 被 動 元 件

光 纖 被 動 元 件 光 纖 連 接 器 / 跳 接 線 (optical connector / patch cord): 光 纖 連 接 器 的 設 計, 可 以 容 易 的 將 光 纖 與 光 源 光 感 測 器 或 另 一 光 纖 連 接 分 離 或 再 連 接, 其 功 能 類 似 電 線 中 的 插 頭

光 纖 被 動 元 件 光 纖 衰 減 器 (optical attenuator) 光 纖 衰 減 器 的 功 用 是 減 弱 光 纖 傳 遞 的 光 量, 調 節 光 信 號 使 其 能 座 落 在 光 接 收 器 的 動 態 範 圍 內

光 纖 被 動 元 件 光 纖 耦 合 器 (optical coupler) 光 纖 耦 合 器 是 用 來 將 輸 入 的 光 量, 依 照 所 設 定 的 比 例 分 給 不 同 的 輸 出 埠, 適 用 於 像 有 線 電 視 這 類 廣 播 式 光 纖 網 路, 由 頭 端 將 信 號 送 出, 經 過 多 個 耦 合 器 分 光 到 用 戶 端 接 收

光 纖 被 動 元 件 光 隔 絕 器 (optical isolator) 光 隔 離 器 的 功 用 是 在 隔 絕 光 纖 網 路 中 的 反 射 光, 以 免 有 多 重 反 射 (multiple refection) 造 成 系 統 雜 訊 的 增 加

光 纖 被 動 元 件 光 循 環 器 (optical circulator) 主 要 是 用 來 將 與 光 訊 號 方 向 相 反 的 逆 向 光 引 導 到 另 一 條 光 路 上, 主 要 可 應 用 於 雙 向 的 傳 輸, 或 搭 配 光 反 射 器 可 當 作 光 的 塞 取 多 工 器

光 纖 被 動 元 件 光 切 換 器 (optical switch) 是 用 來 將 輸 入 光 路 導 引 至 所 指 定 的 輸 出 光 路, 便 於 量 測 中 光 源 或 待 測 物 的 轉 換

光 纖 被 動 元 件 光 濾 波 器 (optical filter) 代 表 性 產 品 為 光 纖 光 柵 (fiber grating), 光 纖 光 柵 是 一 個 反 射 某 個 波 長 的 反 射 器 搭 配 光 纖 耦 合 器 和 循 環 器 可 作 出 光 塞 取 多 工 器, 也 可 以 利 用 調 變 的 相 位 光 柵 做 成 色 散 補 償 器 (dispersion compensator)

多 工 策 略 網 路 發 展 以 往 採 用 的 是 分 時 多 工 (TDM) 的 方 式, 後 來 發 展 成 為 WDM 光 纖 網 路, 而 在 光 纖 上 傳 送 網 際 網 路 協 定 (Internet Protocol;IP), 未 來 的 目 標 則 是 讓 IP 直 接 在 光 纖 實 體 上 傳 輸 並 配 合 乙 太 網 路 界 面

分 波 多 工 (WDM) 傳 統 上 每 根 光 纖 傳 輸 單 一 光 載 波 由 於 光 纖 特 性 的 研 究 不 斷 地 得 到 進 展, 同 時 雷 射 與 光 電 驅 動 元 件 技 術 亦 有 長 足 的 進 步, 促 使 在 同 一 光 纖 中 傳 送 一 個 以 上 之 光 波 長 的 技 術 得 以 實 現, 解 決 高 頻 寬 需 求 的 問 題, 此 種 傳 輸 技 術 稱 為 分 波 多 工 (WDM)

WDM 優 點 可 以 充 分 利 用 光 纖 的 巨 大 頻 寬 資 源 : 在 單 一 光 纖 內 傳 輸 多 個 不 同 波 長 的 光 波, 讓 數 據 傳 輸 速 度 和 容 量 獲 得 倍 增

WDM 優 點 適 應 各 種 信 號 : 由 於 同 一 光 纖 中 傳 輸 的 信 號 波 長 彼 此 獨 立, 因 而 可 以 傳 輸 特 性 完 全 不 同 的 信 號, 完 成 各 種 電 信 業 務 信 號 的 綜 合 和 分 離, 包 括 數 位 信 號 和 模 擬 信 號, 以 及 PDH 信 號 和 SONET/SDH 信 號 的 綜 合 與 分 離

WDM 優 點 透 明 傳 輸, 擴 充 方 便 : 分 波 多 工 技 術 的 通 道 對 數 據 格 式 是 透 明 的, 即 與 信 號 速 率 及 電 調 製 方 式 無 關 一 個 WDM 系 統 可 以 承 載 多 種 格 式 的 業 務 信 號, ATM IP 或 者 將 來 有 可 能 出 現 的 信 號 透 過 增 加 一 個 附 加 波 長 即 可 引 入 任 意 想 要 的 新 業 務 或 新 容 量, 擴 充 性 佳

高 密 度 分 波 多 工 (DWDM) 所 謂 的 DWDM 技 術, 即 是 在 一 根 光 纖 中, 同 時 傳 輸 16 個 以 上 的 波 長 訊 號 若 是 同 時 傳 輸 128 個 波 長 訊 號, 即 可 增 加 128 倍 的 傳 輸 容 量, 不 需 重 新 鋪 設 光 纖, 即 可 大 幅 提 升 通 訊 系 統 的 容 量

光 塞 取 多 工 (OADM) 從 主 光 路 中 取 下 所 需 要 的 波 長, 同 時 將 載 有 新 資 訊 的 波 長 加 入 主 光 路, 而 不 影 響 其 它 波 長 的 傳 輸 可 應 用 於 點 對 點 (Point-to-Point) 網 路 架 構 及 環 形 (Ring) 網 路 架 構

光 塞 取 多 工 (OADM) 點 對 點 的 光 波 塞 取 多 工 傳 輸 技 術 可 以 提 供 網 路 直 接 存 取 光 纖 的 通 訊, 不 需 額 外 的 光 電 訊 號 轉 換 元 件 此 點 對 點 的 OADM 系 統 可 以 利 用 光 波 塞 取 技 術 將 特 定 的 光 通 路 路 由 (routing) 至 指 定 的 網 路 連 接 設 備 上 此 技 術 可 分 為 設 定 傳 送 固 定 波 長 及 動 態 可 選 擇 波 長, 固 定 波 長 的 OADM 系 統, 其 取 出 與 加 入 之 光 波 長 ( 光 通 道 ) 為 固 定 值, 若 要 更 改 需 以 人 為 操 作 模 式 來 修 改, 而 動 態 可 選 擇 光 波 長 之 OADM 系 統 可 以 動 態 地 任 意 選 擇 光 波 長 塞 取

光 放 大 器 傳 統 的 長 途 光 纖 傳 輸 系 統 中, 需 要 每 隔 一 定 的 距 離 就 加 一 個 再 生 中 繼 器, 進 行 光 - 電 - 光 轉 換, 並 在 光 信 號 轉 為 電 信 號 時 進 行 再 生 重 整 和 定 時 處 理 這 種 方 式 十 分 麻 煩, 電 子 設 備 也 很 複 雜, 可 靠 性 也 不 高 人 們 一 直 在 想 能 否 不 要 這 種 光 - 電 - 光 轉 換 過 程, 直 接 在 光 路 上 對 信 號 進 行 光 放 大, 然 後 再 繼 續 傳 輸, 即 用 一 個 全 光 型 中 繼 器 來 代 替 光 - 電 - 光 再 生 中 繼 器 光 放 大 器 即 應 運 而 生

SOA 之 基 本 原 理 半 導 體 光 放 大 器 (Semiconductor Optical Amplifier, SOA) 的 放 大 原 理 與 半 導 體 雷 射 的 工 作 原 理 相 同, 也 是 利 用 能 階 間 躍 遷 的 受 激 現 象 進 行 光 放 大 為 了 提 高 增 益, 去 掉 了 構 成 雷 射 振 盪 的 共 振 腔, 由 電 流 直 接 激 勵, 可 獲 得 30 db 以 上 的 光 增 益

SOA 之 種 類 半 導 體 光 放 大 器 有 兩 種 : 一 種 是 將 通 常 的 半 導 體 雷 射 當 作 光 放 大 器 使 用, 稱 作 Fabry-Perot 半 導 體 雷 射 放 大 器 (SLA) 另 一 種 是 在 Fabry-Perot 雷 射 的 兩 個 端 面 上 塗 上 抗 反 射 膜, 以 獲 得 寬 頻 帶 高 輸 出 低 雜 訊 之 放 大 光 這 種 放 大 器 是 在 光 的 行 進 過 程 中 對 光 進 行 放 大 的, 故 稱 為 行 波 式 光 放 大 器 (TWA)

EDFA 之 基 本 原 理 EDFA 的 放 大 作 用 是 透 過 1550 nm 波 段 的 信 號 光 在 摻 鉺 光 纖 中 傳 輸 與 Er +3 離 子 相 互 作 用 產 生 的 摻 鉺 光 纖 中 的 Er +3 離 子 所 處 的 能 量 狀 態 是 一 系 列 分 立 的 能 階, 當 在 摻 鉺 光 纖 中 傳 輸 的 光 子 能 量 與 Er +3 離 子 的 某 兩 個 能 階 之 間 的 能 量 差 相 等 時, Er +3 離 子 就 會 與 光 子 發 生 相 互 作 用, 產 生 受 激 輻 射 和 受 激 吸 收 效 應

EDFA 之 基 本 原 理 受 激 輻 射 是 指 Er +3 離 子 與 光 子 相 互 作 用 從 高 能 階 躍 遷 到 低 能 階, 發 射 出 一 個 與 激 發 光 子 完 全 相 同 的 光 子 ( 即 光 子 的 頻 率 相 位 傳 播 方 向 偏 振 態 相 同 ) 受 激 吸 收 是 指 Er +3 離 子 與 光 子 相 互 作 用 從 低 能 階 躍 遷 到 高 能 階, 並 且 吸 收 激 發 光 子

EDFA 功 能 應 用 EDFA 在 功 能 應 用 上 可 以 分 為 : 作 遠 距 離 傳 輸 的 線 路 放 大 器 (In-line amplifier) 作 光 發 射 器 輸 出 的 功 率 放 大 器 (Power amplifier) 作 光 接 收 器 前 端 的 前 置 放 大 器 (Pre-amplifier)

參 考 文 獻 [1] 龔 祖 德,1997, 光 纖 通 訊 技 術, 全 華 出 版 [2] 吳 曜 東,1997, 光 纖 原 理 與 應 用, 全 華 出 版 [3] 張 維 群,2000, 光 纖 通 訊, 高 立 圖 書 公 司 [4] 賴 伯 洲,2003, 光 纖 通 訊 與 網 路 技 術, 全 華 出 版 [5] 原 榮,2004, 光 纖 通 訊 系 統 原 理 與 應 用, 新 文 京 出 版

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