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解析1.25Gbps自由空间光资料传输技术   【作者： 高士】2004年05月05日 星期三

浏览人次：【8201】 可做高速大容量资料传输的光纤通信网路，主要架构大致上已经铺设妥当，接着就是如何将光纤主干与端末客户连接，使终端使用者能够充分享受光纤通信的便捷，其中又以自由空间光学传输技术被认为是达成贴身光纤（Fiber To The Home；FTH），以及都会内各社区之间最有效的连结方法之一，因此自由空间光资料传递的发展动向，备受全球光通信业者嘱目与期待。本文将深入探讨自由空间光资料传输的相关技术。 何谓自由空间光传输？ (图一)是自由空间光传输与OSI model的关系图；(图二)是无自由空间光传输的应用实例。一般的通信方式有两种，分别是有线电波／有线光学通信与无线电波／无线光学通信，所谓自由空间光传输属于后者，基本上它是利用光线做远距离无线资料传输，所以又称为无线光通信。 《图一 无线光学与OSI的关系》 自由空间光通信使用对眼睛无伤害的光线作资料传输，它的波长为750nm～1500nm，虽然无线光学有「光学无线」、「光空间传输」、「自由空间光传输」等各种称呼，不过美国与欧洲则统一称为FSO（Free Space Optics）。有关自由空间光通信的研究早在60年代就已经展开，70年代由于低损耗光纤的问世，加上半导体雷射连续发振技术的突破，使得自由空间光通信的发展顿时受到冷落。最近由于光纤通信技术的成熟，具备轻巧、高速特征的自由空间光通信技术，再度成为连接都会内各社区之间，以及达成所谓的贴身光纤最佳选择。 如上所述通信方式可分为电波通信与光学通信两种，对人类而言电波属于有限资产，因此电波通信的频率范围受到限制，无法漫无止境的提高资料传输速度，为了要在频率范围内提高资料传输速度，所以出现8PSK、64QAM等多值变调技术，此外为了维持必要的频率范围，因此使用频宽不断提高；相较之下光线几乎是无限资产，而且光线本身的频率非常高，所以没有频率范围与传输速度的限制，例如自由空间光通信使用800nm波长的光线，若换算成电波频率时相当于375THz。户内与户外使用的自由空间光通信系统具有以下优点与缺点： 优点 《图二 利用无线光学建构网络》 ˙可作高速大容量资料传输：目前已经商品化的自由空间光通信系统，最高传输速度为2.4Gbps。 ˙不涉及电波使用法规，可自由使用：这意味着使用者可以自由设置自由空间光通信设备。 ˙通信资料不易相互干扰：由于送收信的光束（beam）角度非常狭小，因此即使自由空间光通信设备设置数量增加，机器之间相互干扰的可能性很低，并排设置时只要相隔1～3公尺即可。 ˙隐密性极高：由于送收信的光束（beam）角度非常狭小，因此光束不会像电波扩散。 缺点 ˙由于自由空间光通信是在大气环境中利用光线传输资料，所以比较容易受到雪、雨、雾气的影响，而且通信状态会随着大气环境波动。 ˙必需维持高精度的光轴：由于送信的光束指向角非常狭小，因此自由空间光通信设备较易受到设置场地晃动与振动的影响，设置时相互传输的光束必需作高精度光轴校对。

《表一　日本国内厂商的无线光学通信设备部份规格摘要》

接着要以CANON DT-50系列为例，深入探讨有关自由空间光通信器的设计技巧。由(表一)可知CANON的自由空间光通信器的资料传输速度，从25Mbps到1.25Gbps可说是一应俱全，由于架设在户外的自由空间光通信器，会随着户外的温度变化、太阳照射造成建筑物与固定支架发生扭曲，大风与振动则会造成机台偏位，进而导致出射光的光束离轴。虽然增大光束直径可以降低光束离轴现象，不过如此一来空间传输界限（margin）相对减少，因此自由空间光通信器必需利用自动尾随功能（Auto Tracking）排除离轴因素，使通信作业能顺利进行。

此外CANON的全系列机型都配备有专用软体，可与电脑连线作系统管理，相异的网路设备所构成的网路只需装设SNMP（Simple Network Management Protocol），就能利用网路进行无线光学通信器的动作状况监控。值得一提的是，从自由空间光通信器使用半导体雷射作为传输光源，该雷射光符合IEC60825-1Amd.2（Class 1M）安全规范，即使眼睛连续直接目视亦无安全上的顾虑，可说是安全性非常高的光通信设备。如(图三)所示，自由空间光通信器是由四个单元所构成，分别是：

《图三 光学镜筒内部构造》

《图四 光学镜筒内部构造》

自由空间光通信器的光学系统

自由空间光通信器的光学系统相当于电波与微波通信系统的天线，因此又称为光学天线，由此可知光学系统的结构对自由空间光通信器的通信功能具有绝对性影响。虽然光学系统的种类非常多，不过若以镜片作区隔大致上可分为折射系与反射系两种；若以送／收信系统作区隔，则可分为利用稜鏡分离送／收信的单眼Type，与利用不同镜片构成送／收信系统的双眼Type，以及其它类型的光学系统，如(图五)；或如(图六)所示，DT-50系列利用折射系镜片与单眼镜头，构成偏光分隔送／收信系统。

《图五 自由空间光通信器的光学系统分类》

《图六 DT-50的光学系统》

如众周光线属于电磁波，由于偏光是电磁波的波动性所造成的，因此一般是将电场的振动方向当作偏光方向处理。包含电场的振动方向与光的传播方向则称为振动面，然而实际上讨论偏光时，却经常使用P偏光与S偏光等用语；其实它是预先设定一个入射面，与入射面平行的偏光成份称为P（Parallel）成份，与入射面垂直的偏光成份称为S（Senkrecht）成份，P与S的关系如(图七)所示。所谓的入射面是由光线的传播方向向量与法线向量两种向量面定义而成，光线向量主要是表示入射光的传播方向，法线向量则是由折射率相异的媒体境界面构成的。如图七所示，P偏光包含实线的EP、ES'、ES"三个入射面成份，虚线的EP、ES'、ES"则是S偏光。

如上所述，DT-50系列采用雷射二极体作为发光元件，雷射二极体产生的光线属于单向偏光度很大的光线，由图六可知，可以反射雷射二极体光线的反射面（PBS面），可产生偏光光束spilt，他可使S偏光反射，使P偏光穿透。雷射二极体的偏光方向被设计成与入射面呈垂直状，如此便可使雷射二极体产生的光线更有效率的射出，另一方面入射光与雷射二极体的光线呈直交状，因此能有效的穿透PBS。如(图八)所示，DT-50系列的PBS入射光与固定基座呈45度倾斜设置，借此使送信光与收信光的偏光方向呈直交状。图八(a)是对方传入的雷射二极体光线，该光线与对方的机器呈45度倾斜，若以Fleming原则作说明，大姆指相当于雷射二极体光线的方向，中姆指相当于偏光方向，小姆指相当于光线放射方向，如图八(b)。相较之下图八(c)是从机器本身产生的雷射二极体光线，由于机器的光线放射方向面向对方的机器时是朝左方倾斜45度，因此光线偏光方向可与对方机器形成直交状。

《图七 偏光的动作原理》

镜片的功能

《图八 DT-50的偏光方向概念图》

DT-50系列的镜片设于雷射二极体与PBS之间，该镜片主要功能是使送信光束能随着通信距离恒时维持一定的大小，如此便可使传至对方的光束大小，不会受到传输距离的影响，亦即它可使收光元件接收的光强度可维持一定level。例如100公尺通信距离时的光束直径为1公尺，相同的设定条件下收信距离变成1000公尺时，理论上光束直径应该增大10倍，然而实际上光强度是与面积成一定比例，因此1000公尺时的光强度只有1/100，相当于20dB，不过DT-50系列具备光束微调功能，因此对方的收光光强度可维持一定。值得一提的是光束从镜片射出时，光束本身的的大小就不完全相同，不过实际上却经常忽略该变数。

《图九 footprint效应》

利用镜片收集对方机器传入的光线，穿透PBS后会以一定的比率分配至APD（Avalanche Photo Diode）与四等份二极体（:Qua​​rter Photo Diode；QPD）。所谓的QPD是光线位置自动追迹时常用的收光元件，如(图十)所示，自由空间光通信器是在相隔两地利用雷射光进行资料传输，因此必需使自由空间光通信器面向对方的机器传出雷射光，由于雷射光属于指向很高的光线，因此建筑物的变形或是施加于机器的各种振动，都会造成雷射光偏离对方的机器，为防止雷射光发生偏离所以DT-50系列的自由空间光通信器，将雷射光自动追迹补正功能列为标准配备。

《图十 对向设置的方法》

如图三所示对方传入的光线通过稜鏡，再由(图十一)的QPD收光，QPD是由A、B、C、D四个相同收光元件所构成，各元件会依照收光强度输出电压，假设射入QPD的spot强度分布都很均匀时，各元件会随着spot的面积大小输出电压，换句话说beam spot如果均匀射入QPD的中心时，A、B、C、D四个元件的输出电压理论上应该完全相同，因此只要事先将自由空间光通信器的光轴设在QPD中心时，就能调整该通信器使光线照射至APD收光元件上，具体方法是利用Tracking控制单元监控QPD的四个元件的输出电压，接着再用驱动单元微调光轴使电压恒时维持一定，如此便可使对方传入的光线能精确射入APD。

《图十一 QPD四等份收光组件的结构》

发光单元

DT-50系列自由空间光通信器的发光单元，是由发光模组与送信单元所构成，发光模组是由发光元件与驱动单元所构成，发光模组又称为光电转换单元，它的变调方式采用(图十二)所示的光强度变调技术（Intensity Modulation；IM），该变调器可将input至发光单元的电气信号转换成光线强弱并释放至自由空间内。

《图十二 光强度变调技术》

光学通信设备常用的发光元件分别有LED（ Light Emitting Diode）与LD（Laser Diode）两种。 LED是具有PN接合的半导体，它是利用顺向电流发光，红外线LED常用于电视机的遥控器。由于遥控器的LED反应速度过慢，所以无法作Ethernet或是Fastnet的packet传输。 LED产生的光线几乎与顺向电流成正比例；(图十三)是典型的LED电流与发光特性，如图十三(a)所示，随着流入LED的H（High）、L（Low）变化，LED就会发生点、灭效应。(图十四)是LED的驱动电路，由于该电路采用脉冲变调方式，因此经常被应用在数位资料的传输，除此之外的类比信号传输则是使用类比变调方式，例如图十三(b )就是利用交流信号改变流入LED的直流偏压电流IDC获得光输出。

《图十三 LED的驱动方法与电流-光输出特性》

由于雷射二极体（Laser Diode；LD）的反应速度比LED更快，因此非常适合做高速资料传输，虽然雷射二极体也能利用input电流的方式改变光输出的power，不过雷射二极体与LED的发光机制与发光特性截然不同，例如LED的光输出并非连续性（coherent），雷射二极体的光输出则是连续性。值得注意的是，所谓的coherent一词是指「两个波具有相互干涉特性」而言；此外雷射二极体的结构比LED复杂，发光输出对温度的依存性极大，如果发生局部性面损坏，就会导致元件的使用寿命大幅降低。

(图十五)是雷射二极体的驱动电流与光输出特性，它与LED最大差异是驱动电流若低于峰值电流Ith时，即使增加驱动电流仍然无法使光输出依照比例增加，此时的发光变成非连续性的自然LED Type释放，相反的驱动电流一旦超过峰值电流Ith，光输出就会急速增加并成为连续性发光，基本上雷射二极体就是使用该领域的发光。

《图十四 LED的驱动电路》

如(图十六)所示，改变雷射二极体的光输出，可分为脉冲变调与类比变调两种方式。脉冲变调方式是施加直流偏压（bias）直到电流变成峰值电流Ith，接着再使脉冲电流重叠获得脉冲光输出。如上所述，雷射二极体会随着温度变化与使用年限的增加，导致峰值电流Ith发生变化，进而造成雷射二极体的光输出产生具大改变，因此为确保光通信品质必需使用APC （Automatic Power Control），使雷射二极体的光输出能恒时维持相同水准。

《图十五 雷射二极管的驱动电流与光输出特性》

收发光模组的电路特性

(图十七)是发光单元的电路方块图，图右照片是发光单元的外观；由图十七可知，它是由发光模组与送信单元构成，发光模组内部设有雷射二极体与驱动电路。由于雷射二极体动作时产生的热能会降低雷射二极体的使用寿命，因此必需利用感测器（sensor）检测雷射二极体的温度再用致冷器冷却。如上所述雷射二极体的峰值电流Ith对温度非常敏感，一旦峰值电流Ith发生变化，立即会影响通信距离，为了确保光输出恒时维持一定水准，可利用雷射二极体附近的雷射二极体光检测用PD，检测雷射二极体的电流，再将检测结果feed back至APC电路。

(图十八)是发光模组（module）的电路图，该电路的雷射二极体变调采用与图十六(b)相同的类比方式，主要原因是数位信号高速化之后，若能将数位信号当做类比信号处理，反而更容易发挥应有的特性。雷射二极体的直流偏压是由流入collector的电流直接与雷射二极体连接，依此形成的电源所供应，此时雷射二极体电源端的阻抗（impedance）虽然必需变成高阻抗，不过由于电源与雷射二极体设有线圈（coil），因此该线圈就可发挥高阻抗的功能。此外雷射二极体侧边的PD与雷射二极体形成相同的封装结构，因此可以利用PD检测雷射二极体的光量。

《图十六 发光单元的电路方块图》

收光单元

收光单元是由收光模组与收信器所构成，收光模组主要功能是将对方传入的强弱不等光信号转换成电气信号，因此又称为光电转换器。适合无线光通信使用使用的收光元件共有两种，分别是PIN-PD（Photo Diode）与APD，其中又以PIN-PD（Photo Diode）半导体收光元件经常被应用在光通信系统。由于P型半导体与N型半导体之间设有真性（Intrinsic）半导体层，因此PN接合的PD属于高反应速度的发光二极体。由于APD（Avalanche Photo Diode）收光元件可获得电流倍增、低杂讯、高速高感度、高S/N比等效应，而且APD与一般PIN-PD比较时，即使信号非常微弱APD都能收信，换句话说为了获得高S/N比与高速动作，一般都会利用APD接收微弱的光信号。APD的动作极快大约是10GHz左右，不过实际使用时必需对APD施加数十到200V左右的逆偏压，而且增倍率在break down电压V（BR）R附加会急速上升，因此该偏压用电源必需非常稳定，这意味着偏压电路会变得非常复杂，而且V（BR）R一旦变高会使等化过大，进而造成APD产生的shoot noise变成具有支配性功能，而S/N比则急速恶化，因此所谓的APD的增倍率事实上是指能使S/N比成为最大的最佳增倍率而言。

此外APD的特性与LED一样，容易受到温度的影响，由于APD的V（BR）R会因温度的改变发生变化，其结果造成增倍率也产生变化，它的控制方法通常是改变施加于APD的逆偏压值。 APD一般是应用在传输速度超过10Mbps的通信设备，以及需作微弱信号检测的设备等领域。 (图十九)是NEC的APD温度特性；是收信单元的电路方块图，图右照片是收光模组的外观。由图二十可知收光单元是由收光模组与收信器所构成；收光模组则由APD Pre-Amplifier与温度感测器（sensor）所构成。如上所述APD具有温度系数，换言之利用温度取得的最佳增倍率，会随着偏压电压变化，因此必需利用温度感测器检测APD周围的温度，再将检测结果feed back至APD偏压电路，借此控制逆偏压电压同时作温度补偿。

《图十七》

APD与Pre-Amplifier的电路图，由图可知它是由APD与负载电阻R1以及电晶体（transistor）两段宽频增幅器所构成，该电路除了可以决定收光系统的感度之外还会影响热杂讯的特性。由于收光元件的内部阻抗（定电源电流与等价时）非常大，因此从变成负载的APD角度观之，Pre-Amplifier的输入阻抗越大，越容易用高等化取得高S/N比，不过频率范围取决于收光元件的接合容量与寄生容量，所以必需兼顾热杂讯与频宽特性才能决定各项定数。Giga Bit以上的电路高频特性，会因收光元件的容量产生劣化，因此必需加大初段的等化频宽范围，再与兼具次段频宽补偿的增幅器连接构成宽频领域。

由于大气变动极易影响射入自由空间光通信器的光线收光强度，为了吸收光强度的变动，因此后段必需使用图二十所示的AGC（Automatic Gain Control）增幅器，再用PIN二极体控制AGC增幅器的Gain，如此一来即使输入的光信号发生变动，输出也能维持一定level，而AGC增幅器的输出则是通过波形等化与识别电路，变成数位信号output至网路内。

结语

若与无线电波或是光纤比较，自由空间光通信技术的发展历史就显得非常短浅，因此未来还有许多发展的空间，尤其是贴身光纤与社区之间或是室内的通信连结，自由空间光通信器似乎成为最有效而且最经济的连结方法之一。