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一種光纖分碼多工編解碼裝置 之布雷格光柵的設計實現

一種光纖分碼多工編解碼裝置 之布雷格光柵的設計實現. 簡介 光纖分碼多工系統架構 分碼多工架構 的背景原理 布雷格光柵的設計實現 虛擬正交編解碼運作案例 結論. 1. 簡介 (1/2). (a) Bus. (b) Ring. 藉由耦合元件來擷取 Data Bus 之訊息。 主動耦合器牽涉到光電轉換、放大與繞送。 被動耦合器用於信號功率或 信號波頻的塞取。. (c) Star. 1. 簡介 (2/2). 傳統被動耦合器：. 從光匯流排取出部份的光能量 光纖匯流排連接兩個輸入 / 輸出埠。 光能量從一連接埠取出。 另一連接埠將光信號加入至匯流排。.

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一種光纖分碼多工編解碼裝置 之布雷格光柵的設計實現

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  1. 一種光纖分碼多工編解碼裝置之布雷格光柵的設計實現一種光纖分碼多工編解碼裝置之布雷格光柵的設計實現 • 簡介 • 光纖分碼多工系統架構 • 分碼多工架構的背景原理 • 布雷格光柵的設計實現 • 虛擬正交編解碼運作案例 • 結論

  2. 1. 簡介(1/2) (a) Bus (b) Ring • 藉由耦合元件來擷取Data Bus之訊息。 • 主動耦合器牽涉到光電轉換、放大與繞送。 • 被動耦合器用於信號功率或 信號波頻的塞取。 (c) Star

  3. 1. 簡介(2/2) 傳統被動耦合器： • 從光匯流排取出部份的光能量 • 光纖匯流排連接兩個輸入/輸出埠。 • 光能量從一連接埠取出。 • 另一連接埠將光信號加入至匯流排。

  4. 2. 光纖分碼多工系統架構(1/7) 光纖分碼多工系統架構圖。

  5. 2. 光纖分碼多工系統架構(2/7) • 利用Tapped Delay Line之光分碼多工器 • 光源需同調超短脈波。 • 傳輸端和接收端必須達到同調。 • 利用Confocal Lenses之光 分碼多工器 • 系統成本較高。 • 結構笨重，精密度較差 • 功能較不穩定。

  6. 2. 光纖分碼多工系統架構(3/7) 發射端光柵編碼器示意圖。

  7. 2. 光纖分碼多工系統架構(4/7) 接收端光柵解碼器示意圖。

  8. 2. 光纖分碼多工系統架構(5/7) 星狀網路之分碼多工 編解碼器裝置： • 結合編碼單元與解碥單元於同一耦合器模組內 • 適於點對點以及單點對多點的星狀光纖網路 • 編解碼光柵組係取決於系統位址設定，可為調和式 • 整體架構簡單易行

  9. 2. 光纖分碼多工系統架構(6/7) • 發射端光柵編碼器 • 所欲傳送的使用者訊息位元以OOK調變方式在外調式光調變器上對LED寬頻光源進行光亮度調變的電光轉換。 • 調變之後的光場信號然後透過光循環器饋入布雷格編碼光柵進行頻域編碼。 • 經由編碼光柵反射回來的光訊號，將在星狀光纖耦合器與其他光編碼訊號匯合一起廣播給每個接收端光解碼器。

  10. 2. 光纖分碼多工系統架構(7/7) • 接收端光柵解碼器 • 接收進來的集結光訊號透過光循環器饋入布雷格解碼光柵進行頻域解碼。 • 由解碼光柵反射回來的光訊號與由解碼光柵直接透射過去的光訊號係為互補。 • 此二道互補光訊號饋入平衡式檢光二極體進行光電轉換之檢測。

  11. 3.分碼多工架構的背景原理(1/7) • 光纖分碼多工之優點 • 使用者可以同步或非同步地傳送訊息。 • 使用者可共享寬頻資源。 • 可解決突暴式交通所帶來的干擾問題。 • 良好保密性。 • 在適當的波頻組合與編解碼架構下，使用者數目可大幅提升。

  12. 3.分碼多工架構的背景原理(2/7) • 令Xk表示每組使用者所被指定的最大長度序碼： Xk = (xk,0, xk,1, …, xk,N-1) N是最大長度序碼的週期長度；xk,n是為第k個位址序碼中的第n個細片元值，xk,n  {0, 1}。 • 經過K x K星狀光纖耦合器後的集結信號可表示如下： 式中bk{0, 1}代表第k個發射端使用者所傳輸的訊息位元值，而lk是表示第k個使用者在頻域上的任意位移。

  13. 3.分碼多工架構的背景原理(3/7) • 在接收端，第k個使用者的相關解碼器輸出為： 第一項就是第k個使用者所想要的信息訊號，而第二項則是來自於其他使用者的多重擷取干擾。

  14. 碼語句，其中每一元素細片元係為 • 序碼X和Y的交互相關式可以定義為： 3.分碼多工架構的背景原理(4/7) • 令向量 代表X的互補序 和Y的交互相關函數可以表示為

  15. 3.分碼多工架構的背景原理(5/7) • 令Y=TkX代表不同使用者所分配到的最大長度 序碼(M-sequence Codes)，則X和Y的全週期交互 相關值(Cross-Correlation)為： RXY(k) = (N+1)/2 for k=0; RXY(k) = (N+1)/4 for k=1 to N-1

  16. 3.分碼多工架構的背景原理(6/7) • 結果我們可獲得：

  17. 3.分碼多工架構的背景原理(7/7) • 基於虛擬正交序碼族群可以達到RXY(k)– =0的事實，在位址序碼為X的接收端建構X與 兩支相關解碼器分支來對接收序碼Y進行相關解碼運算。 • 所產生的交互相關運算值 RXY(k) 與 然後相減起來，自然的就把來自其他使用者Y = TkX，k不為0，的多重擷取干擾排除掉了。

  18. 4. 布雷格光柵的設計實現(1/5) 我們以相位光罩之技術來製作布雷格光柵。製作光纖光柵時，係將光敏光纖緊密置於光罩之後，並事先以酒精清潔光纖。下圖為相位光罩製作光纖光柵之示意圖，相位光罩中的柵狀刻紋週期，直接影響到布雷格光纖光柵的反射波長。 布拉格光柵加工示意圖

  19. 4. 布雷格光柵的 設計實現(2/5) 光纖光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)大致可以分為兩大類： 1. 反射光柵(Reflection Gratings)，又稱為短週期光柵(Short-period Gratings)或弱光柵(Weak Gratings)，此種光柵之特色是光在不同行進方向之模態相互耦合。 2. 透射光柵(Transmission Gratings)，又稱為長週期光柵(Long-period Gratings)或強光柵(Strong Gratings)，此種光柵之特色是光在相同行進方向之模態相互耦合。 布雷格光柵之繞射示意圖。 光纖光柵之反射與穿透波。

  20. 4. 布雷格光柵的設計實現(3/5) (a)、均勻分佈的光柵光纖折射率之變化； (b)、未經鐘形化的弱光柵反射率之分佈情形； (c)、未經鐘形化的強光柵反射率之分佈情形。

  21. 4. 布雷格光柵的設計實現(4/5) (a)、高斯分佈的光柵光纖折射率之變化； (b)、高斯鐘形化之後的弱光柵反射率之分佈； (c)、高斯鐘形化之後的強光柵反射率之分佈。

  22. 4. 布雷格光柵的 設計實現(5/5) FBG-based Acousto-Optic Tunable Filter Experimental setups for exciting the transverse vibration to control the reflectivity of an FBG Measured reflectivity and transmission spectra of an FBG with different PZT driving voltages.

  23. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(1/6) 編碼光柵的訊息編碼配置案例

  24. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(2/6) • 分配給發射與接收端使用者的正交序碼中，每個細片元位置的”1”表示在編解碼器中有波頻反射，而每個細片元位置的”0”則表示無波頻反射。 • 以X1 = (1, 1, 1, 0, 0, 1, 0)為例，我們在l1,l2,l3,和l6的波長位置設計有布雷格光柵，而在l4,l5,和l7的波長位置則無光柵設計。 • 再以X2 = (0, 1, 1, 1, 0, 0, 1)為例，布雷格光柵被擺置在l2,l3,l4,和l7的波長位置，而在l1,l5,和l6的位置則無光柵擺置。

  25. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(3/6) • 假設發射端使用者#2、使用者#5、以及使用者#6所傳送的訊息位元都是”0”，而其他使用者都是傳送訊息位元”1”。 • 每個使用者編碼後的細片元波頻訊號然後送至一個7x7星狀耦合器組合一起廣播給每個接收端解碼器，耦合後的集結訊號為S = (3, 3, 2, 2, 3, 2, 1)。 • 集結訊號S將藉由Broadcast-and-Select 方式傳播至每一個接收端使用者。

  26. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(4/6) 解碼光柵對#1與#2使用者的解碼運作

  27. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(5/6) • 集結訊號S = (3, 3, 2, 2, 3, 2, 1)經過位址X1=(1110010)的接收解碼器後，訊號反射的部分為SX1 = (3, 3, 2, 0, 0, 2, 0)，而穿透的部分為 S = (0, 0, 0, 2, 3, 0, 1)。 • 反射部分的頻域功率可算出為 |SX1| = 10個單位能量，而穿透部分的頻域功率可算出為|S | = 6個單位能量。 • 這兩部分的光場能量經過平衡式光電檢測器後，我們將獲得4個單位能量淨值，這相當於解碼出所傳送的訊息位元為高準位”1”。

  28. 5. 虛擬正交編解碼運作案例(6/6) • 集結訊號S = (3, 3, 2, 2, 3, 2, 1)經過接收器中位址X2=(0111001)解碼器後，訊號反射的部分為SX2 = (0, 3, 2, 2, 0, 0, 1)，穿透的部分為S = (3, 0, 0, 0, 3, 2, 0)。 • 反射部分的頻域功率可算出為 |SX2| = 8個單位能量，而穿透部分的頻域功率可算出為|S | = 8個單位能量。 • 這兩部分的光場能量經過平衡式光電檢測器後，我們獲得0個單位能量淨值。這可視為解碼出發射端所傳送的訊息位元為低準位”0”。

  29. 6. 結論(1/2) • 布雷格光柵用來控制及修正寬頻光源信號之振幅及頻譜。 • 由OCDMA碼的特性可以決定蝕刻布雷格光柵之譜頻參數。 • 布雷格光柵是被建構在一個接近正交OCDMA碥的相關函數上。 • 接收端使用者將排除任何干擾且在OCDMA使用者上得到正交。

  30. 6. 結論(2/2) • 欲提高分碼多工系統使用者的數目，則必須把光源頻譜線寬分割的更密，亦即波頻細片元(chip)的線寬必須設計得更窄。 • 一般1.0 cm長度的光柵光纖，其波頻細片元線寬為Dl0 = 0.42 nm。對於50nm的線寬光源，可以製作出大約127個(~50/0.42)不同波長的光柵光纖。

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