未來光通訊系統所需之新穎光電元件與技術之研究---子計畫一：相位差分調制模式之全新光信號處理元件之開發

Abstract

在高速及長距離傳輸中，差分相位移鍵格式 (differential phase shift keying, DPSK) 已經逐漸 取代傳統的 on-off keying (OOK) 模式，成為下一世代光通信系統的標準傳輸模式。自2000 年以 來，在IEEE 的期刊與會議論文中就有超過400 篇文章的題目是有含有DPSK。DPSK 之所以受到 如此之重視，其中最重要的原因有二；第一：在平衡偵測之下 (balanced detection)，DPSK 模式擁 有約3 dB 優於 OOK 模式之接收靈敏度 (receiving sensitivity)，第二：因為DPSK 的信息傳載是 在相位上，因此每一位元擁有相同的功率，對於因為功率變化所引起的非線性效應，擁有較佳的 抗拒能力，特別是通道間 (inter-channel) 的交差相位調變 (cross-phase modulation, XPM)。這在遠 距離和高速傳輸系統中，更是顯得重要的一項因素。 然而，DPSK 卻同時會受到強度雜訊 (amplitude noise, AN) 及相位雜訊 (phase noise, PN) 的 干擾，這是因為在DPSK 接收端的延遲干涉計 (delay interferometer, DI) 會將相位雜訊轉成強度雜 訊，而影響到接收訊號品質。傳輸過程中的相位雜訊有兩種：線性與非線性相位雜訊 (linear and nonlinear phase noise)。線性相位雜訊跟強度雜訊一樣，主要是來自光放大器的放大自發光 (amplified spontaneous emission, ASE) 雜訊；而非線性相位雜訊則是透過光纖的克爾效應 (Kerr effect)，轉換自強度雜訊而來，這現象通常稱作Gordon- Mollenauer 效應。若要增加DPSK 的傳輸 距離，則無論相位或強度雜訊都需要加以壓制、降低。但是大多的OOK 全光再生器都不適合用 在DPSK 上，這是因為這些再生器會擾亂相位訊息。理論上，相位敏感放大器 (phase-sensitive amplifier, PSA) 可以同時減少相位、強度雜訊，但是它所需要的同調泵光 (coherent pump beam) 是 無法以符合經濟效益的前提下產生的，因為要鎖住泵光和訊號光之間的相位太過困難 (光源的頻 率約200 THz)。此外，有數種能保留相位的強度再生器被發表出來，但它們只能保留線性相位雜 訊，以及藉著壓制強度雜訊來減少非線性相位雜訊，甚至在壓抑強度雜訊的同時會產生一些不可 避免的相位擾動。這些相位雜訊始終沒有被處理，累積之後終究會破壞DPSK 訊號並限制了它的 傳輸距離。 在本計畫中，我們將設計並製造新穎的全光相位雜訊平均器 (phase noise averager, PNA)，它 的功能在平均兩個相鄰訊號的相位雜訊，很重要的一點是，這個PNA 不需要額外的同調泵光。 而且，我們將逐漸擴展PNA 的適用範圍，使其適用於其他相位調置的傳輸模式，例如 DQPSK 和 QAM 等。因此將大大提升此種元件的應用範圍。我們所展示的詳細的解析分析及數值模擬都 證實了這個PNA 具有收斂DPSK 傳輸中所產生的所有相位雜訊，且無論傳輸的距離有多長。因 此，我們將架設一個模擬長距離傳輸的re-circulating loop，將PNA 設置其中來驗證它收斂相位雜 訊的效果。