第四代光纖通訊系統

Report
光纖通訊及其它光電工業
盧聖華
逢甲光電系助理教授
光電六大領域
光電顯示器
光電元件
液晶、電漿、電漿激
發、投影、真空螢光、
場發射顯示器
發光元件、受光元件、光
學元件
光輸出入
掃描器、雷射印表機、影
印機、傳真機、數位相機
光通訊
光主動元件、光被動
元件、光通訊設備
光電產業
光儲存
資訊用與消費性各類唯
讀型、讀寫一次型、可
重複讀寫型碟機、碟片
雷射及其他光電應用
雷射、 工業雷射、醫療雷射 、
紅外線應用、感測儀器
Million USD
世界光電市場
100,000
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
-
光電元件
光電顯示器
光輸入
光儲存
光通訊
光學元件與雷
射
2003
2004
2005
2006
2007
光纖通訊
光纖通訊歷史
第五代光纖通訊系統
•1530~1570 nm1300~1650 nm
第四代光纖通訊系統 (2001)
•光放大器 & 波長分波多工
•Data rate: 14 Tb/s
•1個中繼器/160公里
解決光通訊的問題
•1960年代,雷射的發明
•1970年代, 康寧發展出低損耗光纖
第三代光纖通訊系統
•1550 nm LD & 色散遷移光纖
•Data rate: 2.5 Gb/s
•1個中繼器/100公里
第二代光纖通訊系統 (1987)
•1300 nm InGaAsP LD & 單模光纖
•Data rate: 1.7 Gb/s
•1個中繼器/50公里
第一代光纖通訊系統 (1980)
•800 nm GaAs LD
•Data rate: 45 Mb/s
•1個中繼器/10公里
同軸電纜 & 微波通訊
(1940年代)
資料來源:光纖通訊- Wikipedia
簡單的光纖通訊系統
發射器
(Transmitter)
光纖
(Fiber)
接收器
(Receiver)
光纖 (Fiber)
n2
n1
CORNING
全內反射
(Total Internal Reflection)
訊號在光纖中傳播的衰減與色散問題
資料來源:http://www.corning.com/opticalfiber/discovery_center/fiber101/attenuation.aspx
光纖損耗(Fiber attenuation)
850 nm (短距離)
1310 nm (中距離)
1550 nm (長距離)
dBat t enuat ion 
 Pout
 10 log10 
 Pin



損耗(Attenuation)
=吸收(Absorption loss)
+散射(Scattering loss )
Example:
Pout/Pin=0.95, dB~0.22
光纖的數值孔徑
2
NA~0.22
n1
n0
c
數值孔徑
2
2
NA  n0  n1  sin   n0 sin  c
(Numerical Aperture)
CORNING
階變折射率多模光纖
(Step-index multimode fiber)
光纖中的模態數
 core diameter  NA  
N m  0.5
wavelength

Example:
A 100 µm core fiber with NA=0.29 would transmit 5744 modes at 850 nm.



2
多模態對光訊號傳輸的影響
 Modal dispersion 
與光軸夾角大的光線,其
所行經的路徑長度較長。
 Modal noise 
不同模態會相互干涉
資料來源:
www.rp-photonics.com/fibers.html
http://grad.physics.sunysb.edu/~xmiao/project2/project2.html
漸變折射率多模光纖
(Graded-index multimode fiber)
 縮短高階模態傳播時間,降低Modal dispersion
階變折射率單模光纖
(Step-index single-mode fiber)
單模態條件
D
2.4
 n02  n12
Example:
If NA=0.14, =1310 nm, then D< 7.1 µm
  c 
D n02  n12
2.4
色散的種類

Modal dispersion

發生在單模光纖

不同模態有不同的路徑長度
Chromatic dispersion

Material dispersion.


發生在多模光纖
Waveguide dispersion.


不同波長的光波有不同的傳播速度
光能量在core與cladding的分佈與波長有
關
Polarization mode dispersion

雙折效應
Light penetrates slightly into the cladding
of a single-mode step-index fiber.
零色散位移單模光纖
(Zero dispersion-shifted single-mode fiber)
1.31 m
1.55 m
 1.55 µm 處色散總和為零
 有 Four-Wave Mixing問題
發光二極體(LED)
 發光二極體(Light
Emitting Diode, LED)
 具PN接面的半導體,
外加順向電壓時,電
子與電洞移動至PN接
面結合產生光。
 半導體的種類及添加
物決定光的顏色。
雷射二極體 (LD)
 雷射二極體(Laser Diode, LD)
 LD與LED皆由PN接合所成。但LD在狹小線條狀 (寬
度數m至10 m)之領域,注入電流,使得電子與電
洞結合發光
 LD兩端面構成雷射諧振腔。光在諧振器內來回反射
而放大
LED 與 LD 的特性比較
單頻LD(0.08 nm)
LED(30~50 nm wide)
Wavelength
Different scale for LED and LD
LD(1~3 nm wide)
LD輸出
LED輸出
Drive Current
LED與LD特性比較表
LED
◎非同調光
◎電路簡單
◎價格低廉
◎調制頻率=數百MHz
◎光耦合至光纖, 損失大
◎適合纖芯大的光纖
LD
◎同調光
◎電路較複雜
◎價格較昂貴
◎調制頻率=數十GHz
◎光耦合至光纖, 損失小
◎適合單模光纖
材料與波長(光通訊用)
LED (wavelength for short glass fibers are 820~850 nm)
Material
GaAs
(砷化鎵)
GaAlAs
(砷化鋁鎵)
InGaAsP
(磷砷化銦鎵)
Wavelength (nm)
930
750~900
1300
LD
Material
Ga(1-x)AlxAs
on GaAS
Wavelength (nm)
780 to 850
In(1-x)GaxAs(1-y)Py In(1-x)GaxAs
on InP
on GaAs
1100 to 1700
980
光偵測器 (Detector)
InGaAs
各種光偵測器的特性
Device
Responsivity
Rise Time
Dark Current
Phototransistor (Si)
18 A/W
2.5 µs
25 nA
Photodarlington (Si)
500 A/W
40 µs
100 nA
pin photodiode (Ge)
0.4 A/W
0.1-1 ns
100 nA
pin photodiode (Si)
0.5 A/W
0.1-5 ns
1-10 nA
pin photodiode
(InGaAs)
0.8 A/W
0.005-5 ns
0.1-3 nA
Avalanche Photodiode (Voltage dependent)
(Ge)
0.3-1 ns
400 nA
(Voltage dependent)
Avalanche Photodiode
10-125 A/W
(Si)
(Voltage dependent)
0.1-2 ns
10-250 nA
(Voltage dependent)
Avalanche Photodiode
7-9 A/W
(InGaAs)
(Voltage dependent)
0.1-0.5 ns
6-160 nA
(Voltage dependent)
光偵器特性考量
 在工作波段中(700-900 nm & 1200-1600 nm),
具有高感度(high sensitivity)。
 反應時間短(short response time)。
 線性度(linearity)寬。
 低雜訊。
 易與光纖耦合。
 特性穩定(不因溫度或時間改變,而有巨大變
化)。
 電路匹配性。
 低成本、高可靠度。
摻鉺光纖放大器
(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)
通訊波段及其對應的光放大器
Band
Name
Meaning
Wavelength
(nm)
Amplification Technology
O band
Original
1260-1360
Praseodymium鐠(?)
E band
Extended
1360-1460
---
S band
Short
1460-1530
Thulium銩-fiber
(developmental)
C band
Conventional
1530-1565
Erbium鉺-fiber
L band
Long
1565-1625
Erbium-fiber
U band
Utra-long
1625-1675
---
波長分波多工系統
(Wavelength-Division Multiplexing System)
ITU DWDM Channel
ITU C band, 0.4 nm or 50 GHz spacing , 81 channels
1528.77
1534.64
1540.56
1546.52
1552.52
1558.58
1529.16
1535.04
1540.95
1546.92
1552.93
1558.98
1529.55
1535.43
1541.35
1547.32
1553.33
1559.39
1529.94
1535.82
1541.75
1547.72
1553.73
1559.79
.
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Unit: nm
•ITU: International Telecommunication Union
•DWDM: Dense Wavelength-division Multiplexing
• 通道間距等於或小於200 GHz
陣列波導光柵
(Arrayed Waveguide Grating, AWG)
5
4
1, 2 , 3,…
資料來源:http://en.wikipedia.org/wiki/Arrayed_waveguide_grating
3
1
2
光纖光柵 (Fiber Grating)
reflected  2nD
•符合此條件的光波會被反射, 其餘則穿透
干涉濾光片(Interference filter)
多腔窄帶濾光片
50 GHz DWDM Filter
a Multi-layered
thin-film filter
1549.3 nm
1549.90 nm
1550.50 nm
光開關 (Optical Switch)
 Opto-Mechanical Switch
 MEMS Switch
 Bubble Switch
Bubble
Lucent micro-mirror
optical switch
 Electro-Optical Switch
TIR
光儲存
光碟系統基本原理
二極體雷射
光柵
尋找軌道
A
B
C
柱面鏡
A
A
B
C
B
C
A
偏振分光鏡
光偵測器
B
C
¼波片
A
B
C
尋找焦平面
B
B
B
柱面鏡
太近
太遠
CD 結構
1.2mm
125 nm
30 m
John A Cope 1993 Phys. Educ. 28 15-21
在完美透鏡之焦平面的繞射圖樣
NumericalAperture
 NA  n' sin U'
Airy disk  1.22 / NA
幾種不同光碟系統的結構及使用的LD波長
 CD (Compact disk): 780 nm
 DVD (Digital Versatile Disc): 650 nm
 Blue-ray Disk & HD (High-Definition) DVD: 405 nm
http://www.blu-raydimensions.com/blu-ray.asp
Sony Blu-ray Disk
光儲存技術規格
DVD
HD DVD
Blu-ray Disc
波長(nm)
650
405
405
數值孔鏡 (NA)
0.65
0.65
0.85
軌距(m)
0.74
0.4
0.32
碟片直徑(cm)
12
12
12
碟片架構
0.6 mmX2
0.6 mmX2
0.1 mm+1.1 mm
單面儲存容量
4.7 GB
15 GB
25 GB
資料傳輸速(Mbps)
11.08
36.55
36
Toshiba
Sony
領導廠商
日本光儲存用LD技術發展
Pioneer, 藍/紅 ( 405/650 nm)LD
Sony & NICHIA, Dual wavelength
laser coupler (405 & 660 nm)
Sony, 3 wavelength Optical Head (405, 660m and 785nm)
資料來源
 Jeff Hecht, Understanding fiber optics, 4th ed.,
Prentice Hall, 2002.
 "Understanding Optical Communications" - An
IBM redbook
 G. Bouwhuis et al., Principles of optical Disc
systems, Adam Hilger, 1985.
 羅正忠, 許招墉, 最新圖解半導體製程概論, 普林斯
頓, 民國93年。
 2004年我國與全球光電產業及技術動態調查報告,
2005年3月出版, 光電科技工業協進會。

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