TWI267632B - Apparatus and method of non-sampling-based Q-factor measuring - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本七月Ά關於光說號(〇ptical signal)量技 行尤其為關於一種非取樣式(n〇n-sampling_based)之q值 (Q-factor)量測裝置與方法。 【先前技術】 由於貧訊的蓬勃發展和網際網路應用的急速增長，人 們對傳輸資料與訊號的通道頻寬(channd bandwidth)需求 愈來愈高。lOGbps的光纖乙太網路的標準已於2〇〇2年訂 疋。如何快速和有效率的取得資訊及傳播資訊將成為時下 科技發展和競爭力的主要關鍵。歐美及日本等資訊高度發 展國家皆積極地研究發展能夠傳輸大量資訊的高速光學網 路’以作為資訊高速公路的基礎建設。 在鬲速光學網路/全光化網路(0pticai network)趨勢的推 動下，傳輸距離越來越遠。除了傳統電的節點逐漸減少， 存在傳統電的節點的電網路性能監測器(m〇nit〇r)也隨著逐 漸消除。因此’就必須發展既可以存在全光化網路，又可 以執行電網路(electrical network)性能監測器的技術。要偵 測光訊號的品質可以藉由量測光訊號的功率(p〇wer)、波 長、光訊雜比(signal-to-noise ratio，SNR)等。為了更精確 地監測訊號品質，尤其是數位傳輸系統，一般以兩個參數， 誤碼率(bit error rate，BER)及Q值，來評估性能。 1267632 為瑪率的細需要較複雜的設置，而且隨著誤碼率越 低，所需要的㈣時間也就越長。舉例來說，以-嶋ps 的訊號而言，當誤碼率削、到廳七時，所需要的量測時 間就需要27小時。這對於—些影音職，根本做不到即時 ^則有^:地即時發現問題。此種情況下，卩值因為 可以在千理上用來推估誤解’而且又非常快速地量測， 所以就用來取代誤解成為觸魏性能的參數。另外， 誤碼率量測必須將所有訊號接收下來，所以被限制於只能 在接收端進行，而Q值的量測不必中斷傳輸的訊號，可以 在傳輸過中的任意節點量測，比起誤碼率的量測更具彈 性’更適合用在即時光通道傳輸系統中。 Q值的定義如下： 〇 — m\ -m〇 σ丨 +σ0 其中’叫與叫分別代表接收到的光訊號為1和〇時，所 里測到的平均值，而σ丨與σ 〇分別代表接收到的光訊號為 1和0時，所量測到的標準差，如第一圖所示。 若在接收機端的雜訊機率分佈為高斯分佈且符元間干 擾(ISI)可忽略等條件成立，則Q值與BER間的關係式如 下：

此關係式的圖形如第二圖所示。 一般置測Q值需要取樣(sampling)的機制，來得知訊號 在1/0準位上光功率的變化，所以需要利用取樣脈衝 (sampling pulse)來觸發(trigger)做取樣。當訊號的傳輸速率 越高時，這些取樣脈衝的寬度就要越窄。以1〇Gbps的訊 號為例，取樣脈衝的寬度就至少要每秒小於1〇〇個奈秒 (nano second)。隨著傳輸速率不斷的提升，要產生越窄寬. 度的取樣脈衝，不管定義在光或是電的領域(d〇main)上， 這都是很複雜的事。 美國專利6,720,548的文獻中，Q值監視技術混合光訊 號和光取樣脈衝打入光結晶體(optical crystal)，直接在光領 域上做取樣。這需要極為昂貴的高功率光取樣脈衝。 另一篇美國專利6,430,715的文獻中，Q值監視技術是 利用兩個判斷電路找出最佳門檻值(threshold)。此方法需要 先將光訊號(optical signal)解回電訊號(electrical signal)，所 以需要昂貴的高頻(high frequency)檢光器(photo detector)。 在也襄 IEEE Journal of Lightwave Technology，vol· 22，ρρ· 1296-1302，May 2004，Ippei Shake，Hidehiko Takara，and Satoki Kawanishi proposed ''Simple Measurement of Eye Diagram and BER Using High-Speed Asynchronous Sampling.、’ 的艾獻中，揭露一複非 同步取樣技術。第三圖為其Q值監控的系統方塊示意圖。 此系統中内部脈波(pulse)為1GHz重複率的電訊號脈波， 以電吸收調變器（electrical absorption modulator)為電光取 樣模組(electro-optic sampling module)303。此電訊號脈波產 生器(electrical pulse generator)301 及電光取樣模組 303 相 較於前述習知取樣系統的模組小且簡單。並且此光/電轉換 器(optic/electro converter)305不必像前述習知的取樣系統 中，頻寬必須大於傳輸訊號速率。 然而，此技術中取樣速率低於傳輸訊號速率，而該系 統之訊號處理電路(signal processing circuit)307分析取樣出 的非同步取樣訊號的Q值，稱之為Qt，和這些Qt的平均 值Qavg。而為了付到内部電路之取樣速率，訊號傳輸速率 必須是事先已知，例如不同傳輸規範：SONET/SDH， Ethernet等。如果系統中並未使用時脈取出(d〇ck fctch)技 術’那麼訊號頻率無法很準確得知，所以内部電路的取樣 頻率必須單獨地決定。這也意味著量測誤差有可能增加。 也有相關的技術是隨意決定内部電路的取樣頻率。 惟，必須決定準位1和〇的門檻值，以決定要統計的資料 範圍。但此種量測方式的誤差也更大。 綜合上述，可知非同步取樣技術雖較簡單，但電吸收 電光調變器取樣模組所需的特性規格算是相當嚴格的。在 1267632 的又化在光的領域上來解析這些波長成分的平均光功 ， 帛’得知輪人光簡在1和〇準位上功率的變化情況，在 光頻瑨上也的確會看到兩個波長。 本發明之第二實施例中，光訊號功率在時域上的變化 轉換至光元件的不同輸出槔。依此，本發明之非取樣式的 Q值量測裝置以一非線性方向的耦合器（nonlinear direcuonal coupler)再連接至一低頻的檢光器來達成。因為 鲁 Kerreffect，所以較大功率的光會從其中一個輸出埠輸出， 而功率較小的光會從另一個輸出埠輸出。如此一來，就把 準位1和〇給分開了，在個別去統計其平均值與標準差即 可推算出Q值。 本發明之第三實施例中，光訊號功率在時域上的變化 轉換至光極性。依此，本發明之非取樣式的q值量測裝置 以一寬頻之放大的自發放射（amplified spontaneous 籲 eir^ssi〇n，ASE)光源，連接一極化分歧器(p〇iarizati〇n beam splitter，PBS)，與輸入之訊號光以一光耦合器(optic coupler) 相結合’打入半導體光放大器（semiconductor optic ’ amplifier，SOA)。半導體光放大器輸出端連接至一光極化 控制器(polarization controller，PC)與一線性極化器(linear polizer)，後面再力口以一光頻譜分析器（optical spectrum analyzer，OSA)來達成。 1267632 貫驗模擬量測結果，得知不同的光功率大小會改變自 發放射光源的光之v形切痕點波長，而且光功率大小和v 形切痕點波長的線性度相當不錯，所以可以藉由量測v形 切痕點波長來推算輸入訊號的功率變化，足以用來量測卩 值。 藉由實施例中這樣非取樣式的機制，來量測^值，避 免了取樣機制的問題與限制。 茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 【實施方式】 如前所示，本發明之非取樣式之Q值量測裝置與方法 係藉由一光功率轉換模組，將光訊號在時域上之光功率變 化轉換在非時域上之領域的變化，來取代取樣的機制。 本發明中，此光功率轉換模組的輸出端連接至一非時 域解析機制，從非時域上之領域的變化，透過此非時域解 析機制，來獲得光訊號在1和0準位上之光功率變化之平 均值與標準差。依此而推算出Q值。 根據本發明，光说號功率在時域上之變化可以轉換至 光波長、光極性和光元件不同輸出埠等領域。第一實施例 至第三實施例中分別一一說明其達成的機制與方式。 12 1267632 來統計ί/Ο準位上的光功率變化，類似地，在末端再利用 一處理電路(未示於圖示)進而推算Q值。所以，本發明也 可以藉由這樣非取樣式的機制，來量測Q值，避免了取樣 機制的問題與限制。 除了第一與第二實施例之結構外，本發明之非取樣式 的Q值量測裝置也可以利用一交叉極化調變（cross polarization modulation，XPM)機制和一半導體光放大器來 達成，例如以一寬頻之放大的自發放射光源，連接一極化 分歧器，與輸入之訊號光以光耦合器相結合，打入一半導 體光放大器。半導體光放大器的輸出端連接至光極化控制 器與一線性極化器，後面再加以一光頻譜分析器來解析波 長。第十圖為本發明之此第三實施例的結構示意圖。 參考第十圖，此非取樣式的Q值量測裝置使用一可調 式雷射光源（tunable laser source，TLS) 1001 和一放大的 自發放射光源1002。打入的可調式雷射訊號光會改變半導 體光放大器1003内部的折射率，而折射率是波長的函數。 所以，另一道一起打入的放大的自發放射光源1002，經一 極化分歧器1004，統一了所有波長成分光的極化方向，而 自發放射光源1002可以視為多個不同波長的窄頻光的集 合，與輸入之可調式雷射光源1001的訊號光以一光轉合器 1005相結合。經過半導體光放大器1〇〇3時，每一個窄頻 光，因為波長成分不同，所以遭遇之折射率改變的量也不 16 1267632 - 同’進而極化方向改變的程度也會不同。 半導體光放大杰1003的輸出端連接至光極化控制器 1006, 而光極化控制器1〇〇6的輸出端連接至線性極化器 1007。 所以，每一窄頻光經過極化控制器1〇〇6以及線性極 化為1007，極化方向與線性極化器正交的波長成分 的光，就會被擋住，無法通過，在頻譜上形成v形切痕(notch) 的點。而此V形切痕點的波長，則和放大的自發放射光源 # 1002在半導體光放大器1⑻3中折射率改變程度有關，而 折射率改變程度又和入射光的光功率有關。所以，只要加 一光頻譜分析器1008來解析波長及分析v形切痕點的波 長改變的量，就可以得知輸入光在光功率上變化的情形。 進而推鼻Q值。所以，本發明也可以藉由這樣非取樣式的 機制，來量測Q值，避免了取樣機制的問題與限制。 貫驗模擬量測結果，得知打入之寬頻的放大的自發放 ® 射光源的光，因為打入之訊號光的光功率不同，所以V形 切痕點的波長也不同。第十一圖為放大的自發放射光源的 光之V形切痕點波長的位移量與輸入訊號光功率的關係 圖。橫軸為輸入訊號光功率(單位為dBm)，左邊縱軸為放 大的自發放射光源的光之V形切痕點波長(單位為nm),右 邊縱轴為V形切痕點波長的位移量(早位為ηχχι)。第十^一圖 中的波長位移的曲線可以看出，從輸入訊號功率-5dBm到 12dBm所對應的波長位移量是〇nm到I3nm。另外，有標 17 ^67632 示圈圈的是實際敏長。從軒―圖可叫見自發玫射光 屬的先之V形切痕點波長的線性度相當不錯，足以用來量 “綜上所述，本發明之非取樣式之Q值量測裝置與方法 ^光功轉換她，將轨號树域上之光功率變化 =在非時域上之領域的變化，，取代複雜的取樣的機制， 調Q值。量測裝置的架構簡單。因此，本發明甚具高 度產業應闕值，足以符合發明之範嘴。 么准以上所述者’僅為本發明之較佳實施例而已，當 —、匕限疋本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專 __作之i轉變倾修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋 之範圍内。 1267632 • 【圖式簡單說明】 " 第-圖說明Q值的定義。 Q輯誤碼率之_關係式。 ， f三圖為_種習知之Q值監控的系統方塊示意圖。- 帛四圖歧餘時域上光神變化轉換至級長領域 上波長變化示意圖。 2五圖光賴在時域上^辨轉換至波譜波長的示意圖。 • 帛六圖為本發明之第一實施例的-個結構示意圖。 第七圖為第六圖之—個範例的結構示意圖。 第八a圖-第八C圖為本發明之第一實施例的—個模擬量測 結果。 第九圖林發明之第二實施例的_個結構示意圖。 第十圖為本發明之第三實施例的一個結構示意圖。 第十-圖為放大的自發放射光源的光之乂形切痕點波長位 ^ 移量與輸入訊號光功率的關係圖。 • 【主要元件符號說明】 接收到的光訊號為1時，所量測到的平均值 叫接收到的光訊號為0時，所量測到的平均值 接收到的光訊號為1時，所量娜到的標準差 σ〇接收到的光訊號為0時，所量測到的炉、準差 19

Claims (1)

1267632 6.如申請專利範圍第3項所述之非取樣式之q值量測裝置其 中該檢光器為一檢光二極體。 7·如申請專利範圍第2項所述之非取樣式之Q值量測裝置，其 • 中該光功率轉換模組將該光訊號功率在時域上之變化轉換至 光元件不同輸出埠，且該光功率轉換模組係由一非線性方向 的耦合器來達成。 8. 如申請專利範圍第7項所述之非取樣式之q值量測裝置，其 φ 中該非時域解析機制係由一檢光器來達成。 9. 如申請專利範圍第2項所述之非取樣式之q值量測裝置，其 中該光功率轉換模組將該光訊號功率在時域上之變化轉換至 光極性，且該光功率轉換模組係利用一交叉極化調變機制和 一半導體光放大器來達成。 10·如申請專利範圍第9項所述之非取樣式之q值量測裝置， 其中該該光功率轉換模組包含有： ^ 一可調式雷射光源； 一放大的自發放射光源； ^ 一極化分歧器，連接至該放大的自發放射光源的輸出端，將 - 該放大的自發放射光源的輸出光形成多個不同波長的窄頻光 的集合； 一光耦合器，將該可調式雷射光源的輸出光與該極化分歧器 形成的窄頻光耦合； 一半導體光放大器，連接至該光耦合器的輸出端； 22 1267632 - 一極化控制器，連接至該半導體光放大器的輸出端；以及 一線性極化器，連接至該極化控制器的輸出端。 11. 如申請專利範圍第1〇項所述之非取樣式之Q值量測裝置， 其中該非時域解析機制係由一光頻譜分析器來達成。 12. —種非取樣式之q值量測方法，其中該q值量測方法包含 下列步驟： (a) 將光訊號在時域上之光功率變化轉換在非時域上之領域 g 的變化；以及 (b) 從該非時域上之領域的變化，獲得該光訊號在i和〇準 位上之光功率變化之平均值與標準差； 依此，推算出該光訊號之Q值。 13. 如申請專利範圍帛12項所述之非取樣式之Q值量測方法， 其中該轉換為光波長、光元件不同輸出埠和光極性之其中一 種領域的變化。 • 14·如帽專纖81第13項所狀非取樣式之Q值量測方法， 其中該步驟(a)中將該光訊號功率在時域上之變化轉換至光 極性，且該轉換係利用一交叉極化調變方式來達成。 23