光学无线单元、无线光通信控制单元及无线光通信方法与流程

本公开是有关于一种基于自由空间无线光通信的光学无线单元与方法。

背景技术：

现今大容量的宽带接入网络技术，使用被动式光纤网络(passiveopticalnetwork,pon)架构作骨干网络。但使用传统的被动式光纤网络架构会因在不同的地理条件的限制之下，因环境不便性以致光纤无法链接的窘境；比如于移动载具上进行上下传输通信，例如在高速铁路或铁道沿线，这些情况会造成被动式光纤网络建置困难及造价昂贵。

再者，传统上每个地面基站(groundstation)即为被动式光纤网络的末端，信号光电转换后由传输天线与载具进行无线通信，此设计不但会增加系统成本，并且还会提升系统传输的复杂度。

因此，如何降低被动式光纤网络建置困难和造价成本，与减低被动式光纤网络系统末端成本和系统传输复杂度，是本领域人员所需关注的。

技术实现要素：

本公开提供一种光学无线单元，包括：光循环器，由光循环器的第一端口接收光信号；光准直器，耦接于该光循环器的第二端口，接收光信号传送至空气中，形成第一自由空间无线光信号；透镜，耦接于光准直器与光循环器的第三端口，透镜接收第二自由空间无线光信号并聚焦到光准直器；第一自由空间无线光信号的波长为λ0，第二自由空间无线光信号的波长为λn，其中，n为正整数。

本公开提供一种自由空间无线光通信控制单元，包括：头端与至少一地面单元。头端包括：激光二极管，产生光信号；光循环器，光循环器的第一端口接收光信号；分波多任务器，耦接光循环器的第三端口，接收光循环器的第二端口的第二自由空间无线光信号。至少一地面单元包括：光循环器，光循环器的第一端口接收该光信号，光循环器的第二端口传送光信号至空气中，形成第一自由空间无线光信号；透镜，耦接于光循环器的第三端口，透镜接收第二自由空间无线光信号；第一自由空间无线光信号的波长为λ0，第二自由空间无线光信号的波长为λn，其中，n为正整数。

本公开提供一种自由空间无线光通信方法，包括：形成第一自由空间无线光信号，第一自由空间无线光信号的波长为λ0；经由光分歧器传送第一自由空间无线光信号入空气中；经由透镜接收第二自由空间无线光信号并传送到光循环器；第二自由空间无线光信号的波长为λn，其中，n为正整数。

为让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1a～1b绘示一种光学无线单元的示意图。

图2绘示一种自由空间无线光通信控制单元的示意图。

图3绘示一种自由空间无线光通信实验架构图的示意图。

图4根据本公开的实施例中绘示传输25公里光纤的自由空间无线光通信误码率与功率图的示意图。

图5a根据本公开的实施例中绘示仿真的光学系统架构图的示意图。

图5b根据本公开的实施例中绘示在0m至500m无线传输距离下，自由空间无线光通信光功率的功率输出的示意图。

图6绘示一种自由空间无线光通信方法的方块图。

图7绘示一另种自由空间无线光通信方法的示意图。

图8绘示表一及表二。

附图标记列表

10：光学无线单元

11：光循环器

12：光准直器

13：透镜

20：远程光学无线单元

24：光检测器

29：激光二极管

30：自由空间无线通信控制单元

40：头端

41：光循环器

44：光检测器

45：偏振控制器

47：分波多任务器

48：马赫曾德尔调变器

49：激光二极管

50：至少一地面单元

51：光循环器

53：透镜

60：光分歧器

s61、s62、s63：步骤

具体实施方式

图1a～1b绘示本公开光学无线单元的示意图。根据本公开的一光学无线单元实施例，图1a中的光学无线单元10，包括光循环器(opticalcirculator,oc)11、光准直器(collimator,col)12与透镜(lens)13。光学无线单元10由光循环器11的第一端口接收光信号，光信号包括自由空间无线光信号的数据，自由空间无线光信号的数据为任意电信号；光准直器12由光循环器11的第二端口接收光信号传送至空气中，形成第一自由空间无线光信号，此第一自由空间无线光信号以广播(即功率共享)方式传送；透镜13耦接于光循环器11的第三端口与光准直器12，透镜13接收第二自由空间无线光信号并聚焦到光准直器12，此第二自由空间无线光信号以分波多任务方式传送。

其中，第一自由空间无线光信号的波长固定为λ0；而第二自由空间无线光信号的波长为λn，其中，n为正整数，皆为不同光波长。第一自由空间无线光信号与第二自由空间无线光信号属c-band或l-band波段，降低行经光纤可能发生的色散现象。但本公开不限于此。本公开的光学无线单元10为双向单模传送。

根据本公开的另一光学无线单元实施例，请参考图1b中的光学无线单元20，根据本公开的一光学无线单元实施例，光循环器11还包括一第四端口，耦接光检测器(photodiode,pd)24。光检测器24接收第一自由空间无线光信号，并将第一自由空间无线光信号解调为电信号。此为一远程光学无线单元的实施例。但本公开不限于此。本公开的光学无线单元20为双向单模传送。

根据本公开的一光学无线单元实施例，光学无线单元20的光循环器11的第一端口，耦接一激光二极管29，光信号包括自由空间无线光信号的数据，自由空间无线光信号的数据为任意电信号。

图2绘示一种自由空间无线光通信控制单元的示意图。根据本公开的一自由空间无线光通信控制单元实施例，图2中的自由空间无线光通信控制单元30，包括头端40与至少一地面单元50。

头端40包括光循环器41、激光二极管49、与分波多任务器47。激光二极管49产生光信号，但本公开不限于此；光循环器41的第一端口接收光信号；光信号包括自由空间无线光信号的数据，自由空间无线光信号的数据为任意电信号；分波多任务器47耦接光循环器41的第三端口，接收光循环器41的第二端口的第二自由空间无线光信号，第二自由空间无线光信号的波长为λn，其中，n为正整数，λ1至λn皆为不同光波长。在一实施例中，激光二极管49耦接马赫曾德尔调变器48，马赫曾德尔调变器48(mach-zehndermodulator,mzm)将电信号调变于光信号中。分波多任务器47接收第二自由空间无线光信号，根据波长分配给相对应的光检测器44，光检测器44进行第二自由空间无线光信号λ1至λn的光信号接收与解调。偏振控制器(polarizationcontroller,pc)45用以控制光路的偏极态，使激光二极管49功率输出产生最大值。

至少一地面单元50包括光循环器51与透镜53。光循环器51的第一端口接收光信号，光循环器51的第二端口传送光信号至空气中，形成第一自由空间无线光信号，此第一自由空间无线光信号以广播方式传送；透镜53耦接于光循环器51的第三端口，接收第二自由空间无线光信号，此第二自由空间无线光信号以分波多任务方式传送；其中，第一自由空间无线光信号的波长固定为λ0。第一自由空间无线光信号与第二自由空间无线光信号属c-band或l-band波段。其中该至少一地面单元为基站或含光学无线单元的设备，但本公开不限于此。

根据本公开的一自由空间无线光通信控制单元实施例，自由空间无线光通信控制单元30还包括一光分歧器60，将光信号进行功率共享的方式广播至远程光学无线单元。此远程光学无线单元位于行动载具上，此行动载具为运输工具，例如：高速铁路列车或火车车厢，但本公开不限于此。每列车或车厢有其固定的传送波长，即λn，波长λ1至λn皆为不同光波长，n为列车或车厢数目，故彼此信号互不碰撞或干扰。上述列车或车厢，皆与同一头端40相互通信，故无换手问题。自由空间无线光通信控制单元30与该远程光学无线单元透过空气做传输媒介。头端40透过单模光纤(singlemodefiber,smf)网络与光分歧器60传送第一自由空间无线光信号给远程光学无线单元。

接下来将计算实际至少一地面单元的总数量，图3绘示一种自由空间无线光通信实验架构图的示意图。图3为实际提出fso-pon传输系统的实验架构图。在下传自由空间无线光通信信号传输部分，我们在头端中利用激光二极管以作为光源，但本公开不限于此。激光二极管连接到偏振控制器与10ghz马赫-曾德尔调变器内。通过25km的单模光纤进行传输，然后连接到光学无线单元的光纤型准直镜，此光纤型准直镜的发散角度约为0.016°，光纤型准直镜的透镜直径约20mm，其焦距为37.13mm。在实验中，自由空间传输长度我们设定为6m长。并且以一直径和焦距为50mm和75mm的双合透镜(doubletlens)将自由空间无线光通信信号聚焦并耦合至远程光学无线单元中的准直镜内。最后，自由空间无线光通信信号下传光信号可被10ghz的pin光电二极管pin-pd(pin-photodiode)接收和解调。

如图3所示，我们可在d点后使用可调式光衰减器(variableopticalattenuator,voa)，除了可用以量测(biterrorrate,ber)的效能与光功率的灵敏度之外，同时还可用以模拟1×m(opticalsplitter,os)的最大与最小分歧比。在此实验上，我们可在“a”、“b”及“c”三点以及“a′”、“b′”及“c′”这三点上分别量测到其所对应的功率大小：a＝13dbm、b＝7.3dbm、c＝2.3dbm、d＝-0.9dbm、a′＝-0.7dbm、b′＝-3.9dbm、c′＝-9dbm。此外，我们可在头端及远程光无线单元加上一pre-amplifier来放大与优化自由空间无线光通信信号信号，此模块由一掺铒光纤放大器(erbium-dopedfiberamplifier,edfa)及一个光衰减器(attenuator,att)所构成。相同地，上传自由空间无线光通信信号信号传输路径亦由图3架构上所绘。

请参考图4，图4根据本公开的实施例中绘示传输25公里光纤的自由空间无线光通信误码率与功率图的示意图。图4是在经过25km单模光纤与6m自由空间无线光通信无线传输距离之下，其上传与下传自由空间无线光通信信号在不同的量测光功率下的误码率ber效能输出。此实验激光二极管发射光功率为7.3dbm，并且最后由光检测器量测到在5km单模光纤与6m自由空间无线光通信无线传输距离之后，在前向错误更正限制(forwarderrorcorrection,fec)(即表示此时的ber＝3.8×10^-3)准位处，其下传与上传自由空间无线光通信信号所获致的光功率灵敏度分别为-35.2dbm与-29.5dbm，如图4所示，此外，图4的插图(i)及(ii)则是其下传与上传自由空间无线光通信信号在ber＝1×10^-9下的眼图(eyediagram)频谱图。如图4的实验结果所示，此下传与上传自由空间无线光通信信号的最大容许光功率预算则分别可达到42.5db与36.8db。

此外，为了要确定此提出的自由空间无线光通信系统可以传输的无线自由空间距离，我们应用一光学仿真软件tracepro来仿真自由空间无线光通信的传输距离。图5a是仿真的光学架构示意图，所有模拟的光参数由实验上所使用到的实际参数。一样当自由空间无线光通信输入功率7.3dbm进入准直镜后以散射角度0.016°输出，并于接收端先以doubletlens集光并聚焦在“b”点处，如图5a所示，因此在不同的freespacelength(l)之下，在在“b”聚焦处所获致的光功率亦有所不同。因此，图5b显示出在0m到500m的不同自由空间传输长度之下，于“b”点处所模拟到的自由空间无线光通信光功率。我们可由图5b观测到在自由空间传输长度160m内，其所获致的光功率约6.2dbm/mm²，且在160m长度内几乎都相同不变，其造成的光衰减量约1.1db。随着自由空间无线光通信自由空间传输长度的增长之后，由于激光光束的直径随之加大，使其光功率也会随之发散，此外也会因大气的吸收效应，在160m之后所检测到的光功率开始降低。由图5b显示，当自由空间无线光通信自由空间传输长度分别为250m、350m及500m时，其因激光光功率发散与吸收所造成的功率损耗则分别为4.2db、7.0db及9.6db。

因此由以上实验与模拟的结果可推估，在理想的下传自由空间无线光通信传输状态下，我们拥有42.5db的光网络功率预算大小，而总损耗计算totalloss＝大气与发散损耗+光纤路径损耗+耦合光衰减+分光器损耗+其余光学组件损耗，此时有线光纤可传输25公里远(光衰耗约5db)、空中通道可传输160m远(光衰耗约1.1db)。并在此预算限制下，我们采用1×2048的光分歧器(功率损耗约33db)，且由于光路插入损失约3.2db。故1×2048个光学无线单元的自由空间无线光通信系统传输25km单模光纤与160m空中信道的总功率损耗为42.3db。依以上计算，根据本公开的一自由空间无线光通信控制单元的一实施例，光分歧器60的分歧比由第一自由空间无线光信号与第二自由空间无线光信号的光链路的功率预算决定。

同时，我们分析了在25km单模光纤与不同空中信道距离的分歧比率(splittingratio)如图8的表一及表二。若空中通道需求达500m远，则下传自由空间无线光通信的最大分歧比率为256(如表一所示)，但在上传自由空间无线光通信的部分则其最大分歧比率为68(如表二所示)，因此在整体的上下传自由空间无线光通信传输系统于500m远时，其可提供仅约68个光学无线单元用于高速移动时的自由空间无线光通信传输应用。依以上计算，根据本公开的一自由空间无线光通信控制单元的一实施例，分歧比亦可决定至少一地面单元50的数量。而至少一地面单元50的数量还能决定自由空间无线光通信控制单元30的涵盖范围。

于此自由空间无线光通信传输系统的设计上，经由光学无线单元所送出可被列车所接收到的自由空间无线光通信光功率大小，与其所传输的光纤长度、光学无线单元数量及自由空间无线光通信空气通道的传输长度相关，由图2可知，1×m光分歧器的分歧比亦可决定光学无线单元的总数量。但本公开不限于此。

而光学无线单元的总数量是依据整体通信系统的下传自由空间无线光通信总光功率预算来推估，而下传信号所会面临到的功率损耗与吸收会含括如下所述：光纤传输的总长度的吸收损耗、每个所使用到的光电组件所导致的损耗与在自由空间内的环境损耗(例如：大气吸收、雾、雨…等等，但本公开不限于此)。

请参考图6，图6绘示一种自由空间无线光通信方法的方块图。根据本公开的一自由空间无线光通信控制方法的实施例，本公开的自由空间无线光通信控制方法，包括：步骤s61：形成第一自由空间无线光信号，第一自由空间无线光信号的波长固定为λ0；步骤s62：经由光分歧器60传送第一自由空间无线光信号入空气中；步骤s63：经由透镜接收第二自由空间无线光信号并传送到光循环器51；其中，第二自由空间无线光信号的波长为λn，n为正整数，皆为不同光波长。

所述的自由空间无线光通信方法，其中经由光分歧器60传送该第一自由空间无线光信号入空气中，以广播方式传送。而第二自由空间无线光信号以分波多任务方式传送。第一自由空间无线光信号与第二自由空间无线光信号属c-band或l-band波段。第一自由空间无线光信号与第二自由空间无线光信号包括自由空间无线光信号的数据，为任意电信号。

请参考图7，图7绘示一另种自由空间无线光通信方法的示意图。根据本公开的一自由空间无线光通信控制方法的一实施例，于头端40激光二极管49产生的光信号，调变光信号(包含自由空间无线光信号的数据，例如：以马赫曾德尔调变器48将电信号调变于光信号中，但本公开不限于此)，由光循环器41的第一端口转入第二端口，以广播方式于单模光纤中传送，藉由光分歧器60经单模光纤传送入至少一地面单元50，再透过位于至少一地面单元50上的光学无线单元10发送第一自由空间无线光信号于空气中，第一自由空间无线光信号的波长为λ0。远程光学无线单元20(位于行动载具上)的透镜13先进行散光的聚焦，然后再聚到光准直器12内以耦合空气中的无线光信号至光纤内，由光循环器第3端口流入第4端口，光检测器24接收第一自由空间无线光信号，并将第一自由空间无线光信号解调为电信号。位于至少一地面单元50上的光学无线单元10毋须处理光电信号的转换。

请参考图7，根据本公开的一自由空间无线光通信控制方法的另一实施例。行动载具上的远程光学无线单元20的激光二极管29产生光信号，此光信号包括自由空间无线光信号的数据，自由空间无线光信号的数据为任意电信号。光信号于行动载具上以分波多任务方式，用不同波长λn，透过空气传送第二自由空间无线光信号，彼此信号互不碰撞或干扰。经由位于至少一地面单元50上的光学无线单元10的透镜13接收第二自由空间无线光信号并聚焦，藉由光循环器11的第三端口转入第一端口，经由单模光纤传送至同一头端40，故无换手问题。在头端40的光循环器41的第二端口转入第三端口，经由分波多任务器47接收第二自由空间无线光信号，相对应的光检测器44进行第二自由空间无线光信号λ1至λn的接收与解调为电信号。位于至少一地面单元50上的光学无线单元10毋须处理光电信号的转换。

综上所述，本公开的被动式光纤网络pon的接取端可以利用自由空间无线光通信传输来取代在光纤配线网络中某些很难建置、部属的地点(环境)，本发明不限于此。例如，在高速移动铁路或铁轨上应用fso-pon传输技术进行上下传输通信。在此提出的自由空间无线光通信上，其误码率ber在fec极限之下，单模光纤长度与光分歧器的分歧比，其有着相对应的关系，可用以决定至少一地面单元的数目。此外我们同时可计算在光学无线单元与远程光学无线单元之间，因不同的无线传输距离在空气中因大气吸收所导致的光信号功率的损耗，此可做为提出的fso-pon光纤网络的系统优化设计。且本公开在至少一地面单元中毋须处理光电信号的转换，因其皆为被动组件，且无收发器组件，架构简单，成本亦较低廉。

虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何所属技术领域中的技术人人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本公开的保护范围应以权利要求所限定的范围为准。