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解析1.25Gbps自由空間光資料傳輸技術   【作者： 高士】   2004年05月05日 星期三

瀏覽人次：【8583】 可做高速大容量資料傳輸的光纖通信網路，主要架構大致上已經鋪設妥當，接著就是如何將光纖主幹與端末客戶連接，使終端使用者能夠充分享受光纖通信的便捷，其中又以自由空間光學傳輸技術被認為是達成貼身光纖（Fiber To The Home；FTH），以及都會內各社區之間最有效的連結方法之一，因此自由空間光資料傳遞的發展動向，備受全球光通信業者囑目與期待。本文將深入探討自由空間光資料傳輸的相關技術。 何謂自由空間光傳輸？ (圖一)是自由空間光傳輸與OSI model的關係圖；(圖二)是無自由空間光傳輸的應用實例。一般的通信方式有兩種，分別是有線電波／有線光學通信與無線電波／無線光學通信，所謂自由空間光傳輸屬於後者，基本上它是利用光線做遠距離無線資料傳輸，所以又稱為無線光通信。 《圖一　無線光學與OSI的關係》 自由空間光通信使用對眼睛無傷害的光線作資料傳輸，它的波長為750nm～1500nm，雖然無線光學有「光學無線」、「光空間傳輸」、「自由空間光傳輸」等各種稱呼，不過美國與歐洲則統一稱為FSO（Free Space Optics）。有關自由空間光通信的研究早在60年代就已經展開，70年代由於低損耗光纖的問世，加上半導體雷射連續發振技術的突破，使得自由空間光通信的發展頓時受到冷落。最近由於光纖通信技術的成熟，具備輕巧、高速特徵的自由空間光通信技術，再度成為連接都會內各社區之間，以及達成所謂的貼身光纖最佳選擇。 如上所述通信方式可分為電波通信與光學通信兩種，對人類而言電波屬於有限資產，因此電波通信的頻率範圍受到限制，無法漫無止境的提高資料傳輸速度，為了要在頻率範圍內提高資料傳輸速度，所以出現8PSK、64QAM等多值變調技術，此外為了維持必要的頻率範圍，因此使用頻寬不斷提高；相較之下光線幾乎是無限資產，而且光線本身的頻率非常高，所以沒有頻率範圍與傳輸速度的限制，例如自由空間光通信使用800nm波長的光線，若換算成電波頻率時相當於375THz。戶內與戶外使用的自由空間光通信系統具有以下優點與缺點： 優點 《圖二　利用無線光學建構網路》 ˙可作高速大容量資料傳輸：目前已經商品化的自由空間光通信系統，最高傳輸速度為2.4Gbps。 ˙不涉及電波使用法規，可自由使用：這意味著使用者可以自由設置自由空間光通信設備。 ˙通信資料不易相互干擾：由於送收信的光束（beam）角度非常狹小，因此即使自由空間光通信設備設置數量增加，機器之間相互干擾的可能性很低，並排設置時只要相隔1～3公尺即可。 ˙隱密性極高：由於送收信的光束（beam）角度非常狹小，因此光束不會像電波擴散。 缺點 ˙由於自由空間光通信是在大氣環境中利用光線傳輸資料，所以比較容易受到雪、雨、霧氣的影響，而且通信狀態會隨著大氣環境波動。 ˙必需維持高精度的光軸：由於送信的光束指向角非常狹小，因此自由空間光通信設備較易受到設置場地晃動與振動的影響，設置時相互傳輸的光束必需作高精度光軸校對。

《表一　日本國內廠商的無線光學通信設備部份規格摘要》

接著要以CANON DT-50系列為例，深入探討有關自由空間光通信器的設計技巧。由(表一)可知CANON的自由空間光通信器的資料傳輸速度，從25Mbps到1.25Gbps可說是一應俱全，由於架設在戶外的自由空間光通信器，會隨著戶外的溫度變化、太陽照射造成建築物與固定支架發生扭曲，大風與振動則會造成機台偏位，進而導致出射光的光束離軸。雖然增大光束直徑可以降低光束離軸現象，不過如此一來空間傳輸界限（margin）相對減少，因此自由空間光通信器必需利用自動尾隨功能（Auto Tracking）排除離軸因素，使通信作業能順利進行。

此外CANON的全系列機型都配備有專用軟體，可與電腦連線作系統管理，相異的網路設備所構成的網路只需裝設SNMP（Simple Network Management Protocol），就能利用網路進行無線光學通信器的動作狀況監控。值得一提的是，從自由空間光通信器使用半導體雷射作為傳輸光源，該雷射光符合IEC60825-1Amd.2（Class 1M）安全規範，即使眼睛連續直接目視亦無安全上的顧慮，可說是安全性非常高的光通信設備。如(圖三)所示，自由空間光通信器是由四個單元所構成，分別是：

《圖三　光學鏡筒內部構造》

《圖四　光學鏡筒內部構造》

自由空間光通信器的光學系統

自由空間光通信器的光學系統相當於電波與微波通信系統的天線，因此又稱為光學天線，由此可知光學系統的結構對自由空間光通信器的通信功能具有絕對性影響。雖然光學系統的種類非常多，不過若以鏡片作區隔大致上可分為折射系與反射系兩種；若以送／收信系統作區隔，則可分為利用稜鏡分離送／收信的單眼Type，與利用不同鏡片構成送／收信系統的雙眼Type，以及其它類型的光學系統，如(圖五)；或如(圖六)所示，DT-50系列利用折射系鏡片與單眼鏡頭，構成偏光分隔送／收信系統。

《圖五　自由空間光通信器的光學系統分類》

《圖六　DT-50的光學系統》

如眾周光線屬於電磁波，由於偏光是電磁波的波動性所造成的，因此一般是將電場的振動方向當作偏光方向處理。包含電場的振動方向與光的傳播方向則稱為振動面，然而實際上討論偏光時，卻經常使用P偏光與S偏光等用語；其實它是預先設定一個入射面，與入射面平行的偏光成份稱為P（Parallel）成份，與入射面垂直的偏光成份稱為S（Senkrecht）成份，P與S的關係如(圖七)所示。所謂的入射面是由光線的傳播方向向量與法線向量兩種向量面定義而成，光線向量主要是表示入射光的傳播方向，法線向量則是由折射率相異的媒體境界面構成的。如圖七所示，P偏光包含實線的EP、ES'、ES"三個入射面成份，虛線的EP、ES'、ES"則是S偏光。

如上所述，DT-50系列採用雷射二極體作為發光元件，雷射二極體產生的光線屬於單向偏光度很大的光線，由圖六可知，可以反射雷射二極體光線的反射面（PBS面），可產生偏光光束spilt，他可使S偏光反射，使P偏光穿透。雷射二極體的偏光方向被設計成與入射面呈垂直狀，如此便可使雷射二極體產生的光線更有效率的射出，另一方面入射光與雷射二極體的光線呈直交狀，因此能有效的穿透PBS。如(圖八)所示，DT-50系列的PBS入射光與固定基座呈45度傾斜設置，藉此使送信光與收信光的偏光方向呈直交狀。圖八(a)是對方傳入的雷射二極體光線，該光線與對方的機器呈45度傾斜，若以Fleming原則作說明，大姆指相當於雷射二極體光線的方向，中姆指相當於偏光方向，小姆指相當於光線放射方向，如圖八(b)。相較之下圖八(c)是從機器本身產生的雷射二極體光線，由於機器的光線放射方向面向對方的機器時是朝左方傾斜45度，因此光線偏光方向可與對方機器形成直交狀。

《圖七　偏光的動作原理》

鏡片的功能

《圖八　DT-50的偏光方向概念圖》

DT-50系列的鏡片設於雷射二極體與PBS之間，該鏡片主要功能是使送信光束能隨著通信距離恆時維持一定的大小，如此便可使傳至對方的光束大小，不會受到傳輸距離的影響，亦即它可使收光元件接收的光強度可維持一定level。例如100公尺通信距離時的光束直徑為1公尺，相同的設定條件下收信距離變成1000公尺時，理論上光束直徑應該增大10倍，然而實際上光強度是與面積成一定比例，因此1000公尺時的光強度只有1/100，相當於20dB，不過DT-50系列具備光束微調功能，因此對方的收光光強度可維持一定。值得一提的是光束從鏡片射出時，光束本身的的大小就不完全相同，不過實際上卻經常忽略該變數。

《圖九　footprint效應》

利用鏡片收集對方機器傳入的光線，穿透PBS後會以一定的比率分配至APD（Avalanche Photo Diode）與四等份二極體（:Quarter Photo Diode；QPD）。所謂的QPD是光線位置自動追跡時常用的收光元件，如(圖十)所示，自由空間光通信器是在相隔兩地利用雷射光進行資料傳輸，因此必需使自由空間光通信器面向對方的機器傳出雷射光，由於雷射光屬於指向很高的光線，因此建築物的變形或是施加於機器的各種振動，都會造成雷射光偏離對方的機器，為防止雷射光發生偏離所以DT-50系列的自由空間光通信器，將雷射光自動追跡補正功能列為標準配備。

《圖十　對向設置的方法》

如圖三所示對方傳入的光線通過稜鏡，再由(圖十一)的QPD收光，QPD是由A、B、C、D四個相同收光元件所構成，各元件會依照收光強度輸出電壓，假設射入QPD的spot強度分佈都很均勻時，各元件會隨著spot的面積大小輸出電壓，換句話說beam spot如果均勻射入QPD的中心時，A、B、C、D四個元件的輸出電壓理論上應該完全相同，因此只要事先將自由空間光通信器的光軸設在QPD中心時，就能調整該通信器使光線照射至APD收光元件上，具體方法是利用Tracking控制單元監控QPD的四個元件的輸出電壓，接著再用驅動單元微調光軸使電壓恆時維持一定，如此便可使對方傳入的光線能精確射入APD。

《圖十一　QPD四等份收光元件的結構》

發光單元

DT-50系列自由空間光通信器的發光單元，是由發光模組與送信單元所構成，發光模組是由發光元件與驅動單元所構成，發光模組又稱為光電轉換單元，它的變調方式採用(圖十二)所示的光強度變調技術（Intensity Modulation；IM），該變調器可將input至發光單元的電氣信號轉換成光線強弱並釋放至自由空間內。

《圖十二　光強度變調技術》

光學通信設備常用的發光元件分別有LED（ Light Emitting Diode）與LD（Laser Diode）兩種。LED是具有PN接合的半導體，它是利用順向電流發光，紅外線LED常用於電視機的遙控器。由於遙控器的LED反應速度過慢，所以無法作Ethernet或是Fastnet的packet傳輸。LED產生的光線幾乎與順向電流成正比例；(圖十三)是典型的LED電流與發光特性，如圖十三(a)所示，隨著流入LED的H（High）、L（Low）變化，LED就會發生點、滅效應。(圖十四)是LED的驅動電路，由於該電路採用脈衝變調方式，因此經常被應用在數位資料的傳輸，除此之外的類比信號傳輸則是使用類比變調方式，例如圖十三(b)就是利用交流信號改變流入LED的直流偏壓電流IDC獲得光輸出。

《圖十三　LED的驅動方法與電流-光輸出特性》

由於雷射二極體（Laser Diode；LD）的反應速度比LED更快，因此非常適合做高速資料傳輸，雖然雷射二極體也能利用input電流的方式改變光輸出的power，不過雷射二極體與LED的發光機制與發光特性截然不同，例如LED的光輸出並非連續性（coherent），雷射二極體的光輸出則是連續性。值得注意的是，所謂的coherent一詞是指「兩個波具有相互干涉特性」而言；此外雷射二極體的結構比LED複雜，發光輸出對溫度的依存性極大，如果發生局部性面損壞，就會導致元件的使用壽命大幅降低。

(圖十五)是雷射二極體的驅動電流與光輸出特性，它與LED最大差異是驅動電流若低於峰值電流Ith時，即使增加驅動電流仍然無法使光輸出依照比例增加，此時的發光變成非連續性的自然LED Type釋放，相反的驅動電流一旦超過峰值電流Ith，光輸出就會急速增加並成為連續性發光，基本上雷射二極體就是使用該領域的發光。

《圖十四　LED的驅動電路》

如(圖十六)所示，改變雷射二極體的光輸出，可分為脈衝變調與類比變調兩種方式。脈衝變調方式是施加直流偏壓（bias）直到電流變成峰值電流Ith，接著再使脈衝電流重疊獲得脈衝光輸出。如上所述，雷射二極體會隨著溫度變化與使用年限的增加，導致峰值電流Ith發生變化，進而造成雷射二極體的光輸出產生具大改變，因此為確保光通信品質必需使用APC（Automatic Power Control），使雷射二極體的光輸出能恆時維持相同水準。

《圖十五　雷射二極體的驅動電流與光輸出特性》

收發光模組的電路特性

(圖十七)是發光單元的電路方塊圖，圖右照片是發光單元的外觀；由圖十七可知，它是由發光模組與送信單元構成，發光模組內部設有雷射二極體與驅動電路。由於雷射二極體動作時產生的熱能會降低雷射二極體的使用壽命，因此必需利用感測器（sensor）檢測雷射二極體的溫度再用致冷器冷卻。如上所述雷射二極體的峰值電流Ith對溫度非常敏感，一旦峰值電流Ith發生變化，立即會影響通信距離，為了確保光輸出恆時維持一定水準，可利用雷射二極體附近的雷射二極體光檢測用PD，檢測雷射二極體的電流，再將檢測結果feed back至APC電路。

(圖十八)是發光模組（module）的電路圖，該電路的雷射二極體變調採用與圖十六(b)相同的類比方式，主要原因是數位信號高速化之後，若能將數位信號當做類比信號處理，反而更容易發揮應有的特性。雷射二極體的直流偏壓是由流入collector的電流直接與雷射二極體連接，依此形成的電源所供應，此時雷射二極體電源端的阻抗（impedance）雖然必需變成高阻抗，不過由於電源與雷射二極體設有線圈（coil），因此該線圈就可發揮高阻抗的功能。此外雷射二極體側邊的PD與雷射二極體形成相同的封裝結構，因此可以利用PD檢測雷射二極體的光量。

《圖十六　發光單元的電路方塊圖》

收光單元

收光單元是由收光模組與收信器所構成，收光模組主要功能是將對方傳入的強弱不等光信號轉換成電氣信號，因此又稱為光電轉換器。適合無線光通信使用使用的收光元件共有兩種，分別是PIN-PD（Photo Diode）與APD，其中又以PIN-PD（Photo Diode）半導體收光元件經常被應用在光通信系統。由於P型半導體與N型半導體之間設有真性（Intrinsic）半導體層，因此PN接合的PD屬於高反應速度的發光二極體。由於APD（Avalanche Photo Diode）收光元件可獲得電流倍增、低雜訊、高速高感度、高S/N比等效應，而且APD與一般PIN-PD比較時，即使信號非常微弱APD都能收信，換句話說為了獲得高S/N比與高速動作，一般都會利用APD接收微弱的光信號。APD的動作極快大約是10GHz左右，不過實際使用時必需對APD施加數十到200V左右的逆偏壓，而且增倍率在break down電壓V（BR）R附加會急速上升，因此該偏壓用電源必需非常穩定，這意味著偏壓電路會變得非常複雜，而且V（BR）R一旦變高會使等化過大，進而造成APD產生的shoot noise變成具有支配性功能，而S/N比則急速惡化，因此所謂的APD的增倍率事實上是指能使S/N比成為最大的最佳增倍率而言。

此外APD的特性與LED一樣，容易受到溫度的影響，由於APD的V（BR）R會因溫度的改變發生變化，其結果造成增倍率也產生變化，它的控制方法通常是改變施加於APD的逆偏壓值。APD一般是應用在傳輸速度超過10Mbps的通信設備，以及需作微弱信號檢測的設備等領域。(圖十九)是NEC的APD溫度特性；是收信單元的電路方塊圖，圖右照片是收光模組的外觀。由圖二十可知收光單元是由收光模組與收信器所構成；收光模組則由APD Pre-Amplifier與溫度感測器（sensor）所構成。如上所述APD具有溫度係數，換言之利用溫度取得的最佳增倍率，會隨著偏壓電壓變化，因此必需利用溫度感測器檢測APD周圍的溫度，再將檢測結果feed back至APD偏壓電路，藉此控制逆偏壓電壓同時作溫度補償。

《圖十七》

APD與Pre-Amplifier的電路圖，由圖可知它是由APD與負載電阻R1以及電晶體（transistor）兩段寬頻增幅器所構成，該電路除了可以決定收光系統的感度之外還會影響熱雜訊的特性。由於收光元件的內部阻抗（定電源電流與等價時）非常大，因此從變成負載的APD角度觀之，Pre-Amplifier的輸入阻抗越大，越容易用高等化取得高S/N比，不過頻率範圍取決於收光元件的接合容量與寄生容量，所以必需兼顧熱雜訊與頻寬特性才能決定各項定數。Giga Bit以上的電路高頻特性，會因收光元件的容量產生劣化，因此必需加大初段的等化頻寬範圍，再與兼具次段頻寬補償的增幅器連接構成寬頻領域。

由於大氣變動極易影響射入自由空間光通信器的光線收光強度，為了吸收光強度的變動，因此後段必需使用圖二十所示的AGC（Automatic Gain Control）增幅器，再用PIN二極體控制AGC增幅器的Gain，如此一來即使輸入的光信號發生變動，輸出也能維持一定level，而AGC增幅器的輸出則是通過波形等化與識別電路，變成數位信號output至網路內。

結語

若與無線電波或是光纖比較，自由空間光通信技術的發展歷史就顯得非常短淺，因此未來還有許多發展的空間，尤其是貼身光纖與社區之間或是室內的通信連結，自由空間光通信器似乎成為最有效而且最經濟的連結方法之一。