台大在高速光纖通信的研究
何鏡波
在高速光纖通信領域,10-Gb/s系統已成為一項成熟的技術,而40-Gb/s 系統則正方興未艾地發展。在台灣大學電機研究團隊中,我們正著手進行 10、20及 40 Gb/s 的系統實驗。
現今的電信基礎設施中,光纖通信真是無所不在!舉凡電話交談、手機通話、網頁瀏覽和電子郵件,各種通訊方式都必須透過光纖傳送至目的地。在當前的資訊化社會中,高速光通訊已然成為一項不可或缺的技術。即使歷經前幾年的市場泡沫化,光纖通信仍舊是各大通信公司最重要的研究課題。台大電機身為國內研究團隊的翹楚,在光纖通信研究領域也與世界潮流並駕齊驅。
光纖具有15 THz (THz為MHz的100萬倍)的低損耗頻帶,比工作在900MHz的GSM手機系統的50MHz頻寬大上30萬倍。為了有效利用這個頻寬,目前最普遍的方式,是以分波多工(wavelength-division multiplexing, WDM)技術將光纖中的低損耗頻帶分成很多頻道(channel)。這種方式類同於電台或電視廣播系統將頻率切分為各台使用的不同頻道。例如,台北ICRT電台使用104.7MHz為中心的200KHz頻寬進行廣播。光纖習慣上依據波長來區分頻道,而無線廣播則是以頻率定義頻道。
在WDM系統中,波長相近的頻道可利用濾波器(optical filter)結合或分開,而頻道的數量和間隔會受現有濾波器的可行技術所限制。光纖的耗損非常低,大約15公里後,光的強度只會減少一半,而光的耗損可用光放大器補償。在光放大器方面,常用的鉺摻光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)可同時放大許多WDM通道,如此一來每個通道便可以分攤共用光纖及放大器的成本。在長距離通訊中,每80~100km的距離(約等於從台北到新竹的距離)需要使用一個EDFA。
在光纖內,每一個WDM頻道可以傳送2.5、10 或40Gb/s的信號,當每個WDM通道的傳輸速度增加時,可減少頻道數量、增加系統效率、簡化網路管理機制,以降低系統的整體成本。舉例而言,假定頻道間隔為100GHz,40Gb/s訊號的頻譜使用效率為0.4b/GHz/s,而10Gb/s訊號的效率則只有 0.1b/GHz/s。可見增加WDM頻道的速度的確可大幅降低所需管理的通道數目。另一方面,當使用光放大器來補償光纖損耗時,整個光纖通道上的光訊號具有很高的強度;此時,高光強度所引起的光纖非線性效應也應該要列入考量;目前台大電機也進行這方面的研究。
高速光通訊領域現今的發展趨勢如下:
10Gb/s系統自1996到1997開始使用於長距離傳輸, 2002年通過10Gb/s乙太網路(Ethernet)系統的標準化。因為10Gb/s系統所提供的效能較接近市場需求,致使10Gb/s系統的市場即將超過2.5Gb/s系統。預計在未來的一兩年中,10Gb/s系統會急遽成長。
目前,針對企業網路與資料通訊的10Gb/s乙太網路,和電信產業的同步光網路/同步數位階層(SONET/SDH)使用大致相同的技術,而資料儲存的光纖通道(fiber channel)也具有10Gb/s的傳輸速度。10Gb/s系統可以支援許多種類的通訊應用產品,不僅降低了成本,更加強它的成熟度。
對於40Gb/s系統的發展,多數人抱持樂觀地期待。例如,目前思科(Cisco)及Juniper兩家公司的高階核心路由器(core router)已支援40Gb/s的介面。相較於1996到1997年間10Gb/s系統的使用初期,現在40Gb/s系統所用的光電元件、測試設備、網路規劃以及週邊設備比10Gb/s系統當時更加完備。但因40Gb/s設備成本過高,迫使部分長途傳輸公司暫時卻步。
當前的商業應用中,光通訊系統大都是利用光的存在或不存在來表示資訊,技術上稱為開關鍵移(on-off keying, OOK)。近來實驗室研究方面,差分相位鍵移(differential phase-shift keying, DPSK)重新在長途傳輸領域受到特別的重視。DPSK是利用光在兩相鄰時間的相位差來傳送資訊,相較於傳統的OOK信號,DPSK信號具有更好的3-dB接收靈敏度,只需要一半的接收功率便可達到相同的系統指標。因為OOK信號需要平均功率兩倍的最高功率,而DPSK信號的功率並不會因為時間而改變,相較之下更可增進系統對光纖非線性效應的容忍度。目前所有大型研究單位皆致力於DPSK信號傳輸系統的研究。在設計良好的光纖通道上,40Gb/s DPSK信號的傳輸距離可長達一萬公里,效能著實可觀。
四相差分相位鍵移(differential quadrature phase-shift keying, DQPSK)信號中的每個符號可代表二個位元。DQPSK信號及其衍生的形式常見於無線手機系統。現今,DQPSK在光纖上的應用已是一項十分熱門的研究課題。預見在不久的將來,手機系統與光纖系統的傳送方法將會快速地被整合。
高速光通訊領域的發展一直是業界和學界關注的焦點。台大電信研究所「高速光纖網路實驗室」目前正進行10、20和40Gb/s的光纖通訊系統實驗。以下是近期的部份實驗。
當10Gb/s OOK信號傳輸技術已趨完整後,如何降低系統成本,便成為研究的重要課題。半導體雷射本身是個非常簡單的元件,當電流注入雷射時會發出光線,有光和沒有光可代表 “0”和 “1”。但是,直接開關雷射會引起頻率的改變,此種現象稱之為變頻(chirp,也稱為波長啁啾),造成信號頻譜的擴張。跟使用三菱鏡分離太陽光的原理相同,光在光纖的速度會因不同的頻率或波長而改變,產生光纖色散的現象。當頻譜擴張時,每個頻率成分的傳播速度因為光纖色散而不同。
此種變頻現象,對單模光纖中廣泛使用的低損耗 1550 奈米信號而言,會使傳輸距離受到很大的限制。傳統上,在1550 奈米上直調OOK系統的傳輸距離大約是20公里。為避免傳輸距離受限,一般會使用外部調變器控制光的開關。雷射的開或關相等於燈泡有無電流時的亮或不亮,而外部調變器近似一塊窗簾通過或阻擋光線。雖然外部調節器有助於增加傳輸距離,但這昂貴的元件卻增加了系統成本。故目前本實驗室採用電流來控制半導體雷射的開關。
在本實驗室的研究中,雷射輸出端使用一個光學元件來控制信號的變頻,此光學元件並不需要任何控制。如圖1(a)顯示一個直接調變雷射二極體接著一個被動光元件,信號經過一段光纖後進入接收機。圖 1(a)顯示光信號經過光被動元件後的眼圖,和經過60公里後光信號的眼圖。眼圖經過60公里光纖後並不會產生嚴重的惡化。
台大研究團隊也進行10Gb/s DPSK實驗。圖2顯示DPSK發射機與接收機。DPSK發射器使用一般的Mach-Zehnder調變器(MZM),是可用電壓來控制的干涉器。一般而言,光會被分成兩個路徑;在沒有電壓時,因為光經過相同的長度,結合後的光電場會相加;有電壓時,兩個路徑的長度略有不同,長度差相等於半個波長的距離時,光電場相互抵消。高功率的驅動放大器可提供具有2V電壓改變的驅動信號,其中V為開關MZM所需的電壓值。當有2V電壓改變時,發射機工作的兩個開通狀態具有180度的相位差(phase difference)。
圖2(a)顯示DPSK發射與接收機的簡單系統架構圖,接收機使用一個非對稱的Mach-Zehnder干涉器(MZI)。此干涉器將信號分成兩路,其中一路信號延遲一個位元區間(bit interval),然後再結合在一起。如果兩相鄰時間的信號相位相同,則干涉器輸出的兩信號相加;若兩相鄰時間的信號相位相差180度,則兩個信號的輸出電場相互抵消。圖2(b)顯示接收信號不經光纖與經過20公里光纖後的眼圖,其中DPSK信號的資料速度是10Gb/s。
本實驗室以圖3所示的架構進行20Gb/s系統實驗。發射機產生20Gb/s倍二位元信號,位元 “1”由電場的 “+1” 及 “-1”表示,位元 “0”則由電場 “0”表示。光倍二元信號與一般20Gb/s OOK信號光強度相同,因此可使用傳統二位元接收機接收訊號。倍二位元信號具有較窄的頻寬,可以容忍較大的光纖色散效應。目前最受歡迎的40Gb/s商用系統,即是使用倍二位元信號。
圖3(a)中採用一個微波相加器將兩個獨立的10Gb/s信號,與差異半個符碼 (T/2, 50ps,20Gb/s信號位元區間) 寬度的信號相加。微波相加器的輸出信號經由高功率驅動放大器放大至電壓變化為 2 V。圖3(a)同時顯示兩個具有50ps時間偏移的10Gb/s信號眼圖,包括相加後的三階驅動信號。MZM的輸出電場,除微量的非線性改變外,與三階驅動信號大致相同。在MZM的輸出強度方面,三階電場信號相等於傳統的二位元強度訊號。
圖3(b) 顯示20Gb/s倍二位元信號經過20及40公里單模光纖後的眼圖。因為倍二位元信號具有高色散容忍度,訊號即使經過40公里,仍維持不錯的眼圖。
一個完整的高速通訊實驗室需有能力進行40Gb/s信號的實驗。本實驗室已有能力產生40Gb/s電信號。圖(4)顯示本實驗室40Gb/s的實驗儀器及測試信號的眼圖。
目前,我們正積極洽購其他高速元件,以使電訊號能進入光纖,期許能在最快的時間內進行40Gb/s的實驗。
台大電機為國內研究型大學之翹楚,系友在各領域皆表現亮眼。台大電機站在前人學術積累的肩膀上,期許自己在研究中追求卓越。相信本實驗室必能在高速光通訊領域創造斐然的成績。
何鏡波,電機系1991年畢業,現任台大電機系暨電信所副教授。