[[alternative]]Design and fabrication of advanced 2 x 2 optical switches

碩士[[abstract]]近年來光纖網路迅速發展，包括一般長途骨幹網路、都會型網路和接取網路，是基於光纖通訊技術及光元件的應用。在光元件中，光循環器在雙向光纖傳輸中扮演著相當重要的角色。 本篇論文主要探討進階型2×2光開關的內部結構與工作原理，其架構是利用一顆可逆四埠全通式光循環器結合另外相同一顆或另一顆常見2×2光開關。所提出的進階型2×2光開關擁有互易Bar狀態與非互易Bar/Cross狀態，不同於一般2×2光開關互易性質Bar/Cross狀態。此外它較廣泛使用的一般2×2光開關更具有彈性，因此適合多種不同的應用。 WDM-PONs必然是未來光通訊發展的趨勢。為了確保網路服務的可靠度，如何有效地維護光網路確實是一個重要的課題。因此我們提出一個可提供路徑保護及恢復功能的WDM-PON架構。為了建立相互保護群體，所提的進階型2×2光開關是設置在OLT端以及將ONUs分成兩個群體。此種方案可以減少光元件的使用，以降低整體架構的花費，同時又可以維持饋送線光纖與分配光纖的傳輸。 最後，實驗結果證實所提基於進階型2×2光開關的WDM-PON保護架構之可行性。[[abstract]]In recent years, the rapid development of optical fiber networks, including generic long-distance backbone networks, metropolitan area networks and access networks, is based on the applications of optical fiber communication technologies and optical components. Among optical components, optical circulators play a prominent role in the bi-directional optical fiber communication systems. This thesis mainly discusses the principles and structures of advanced 2×2 optical switches (AOSs) that utilize one reversible four-port cyclic optical circulator to combine another the same or another conventional 2×2 optical switch (COS). The proposed AOS possesses a reciprocal bar state and a nonreciprocal bar/cross state, which is different from the COS with a reciprocal bar/cross state. In addition, it is more flexible than the COS in wide use, so it is suitable for a variety of applications. Wavelength-division-multiplexed passive optical networks (WDM-PONs) must be a trend in the development of optical communications in the future. In order to ensure the reliability of network service, how effectively to maintain optical networks is indeed very important as an issue. Therefore, we proposed a WDM-PON architecture that provides the function of path protection and restoration. To create mutual protection groups, the proposed AOS is set at the optical line terminal (OLT), and the optical network units (ONUs) are divided into two groups. This scheme can reduce the number of optical components to achieve the reduction of an entire system’s cost. Furthermore, the feeder fibers and distribution fibers can be protected simultaneously. Finally, experimental results verify the feasibility of the proposed AOS-based WDM-PON protection architecture.[[tableofcontents]]目錄 第一章 簡介 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 4 1.3 論文架構 5 第二章 光循環器與進階型2 × 2光開關 7 2.1 簡介 7 2.2 4-port全通式光循環器 8 2.3 可逆全通式光循環器工作原理 14 2.4 光開關簡介 19 2.5 進階型2 × 2光開關設計 22 第三章 WDM-PON保護架構之拓樸 26 3.1 WDM-PON保護架構之拓樸 26 3.2 使用進階型2 × 2光開關之線路保護技術 40 第四章 進階型2 × 2光開關儀之製作 47 4.1 可逆全通式光循環器工作原理與特性參數 47 4.2進階型2×2光開關驅動電路製作 50 4.3進階型2 × 2光開關儀參數量測 56 第五章 實驗架構與結果 59 5.1 實驗設置 59 5.2 實驗結果與分析 60 正常路徑狀態三 (1) ONU端接收 60 正常路徑狀態三 (1) OLT端接收 61 保護路徑狀態一 (1) ONU端接收 66 保護路徑狀態一 (1) OLT端接收 66 保護路徑狀態二 (1) ONU端接收 70 保護路徑狀態二 (1) OLT端接收 70 第六章 結論 81 6.1 成果與討論 81 6.2 未來研究方向 82 參考文獻 83 圖目錄 圖1. 1 EPON與GPON示意圖。 3 圖1. 2 WDM-PON示意圖。 3 圖1. 3 以WDM-PON接取網路為主的都會型網路[1]。 4 圖2. 1 3-port光循環器之光路徑示意圖。 8 圖2. 2 4-port光循環器之光路徑示意圖。 9 圖2. 3 4-port全通式光循環器正向路徑圖 (a)埠1的狀況 (b)埠2的狀況 (c)埠3的狀況 (d)埠4的狀況[3]。 12 圖2. 4 4-port全通式光循環器正向平面圖 (a)正向X-Z平面圖 (b)正向Y-Z平面圖[3]。 13 圖2. 5 可逆式光循環器正反向之示意圖。 14 圖2. 6 4-port全通式光循環器反向路徑圖 (a)埠1的狀況 (b)埠2的狀況 (c)埠3的狀況 (d)埠4的狀況[3]。 17 圖2. 7 全通式光循環器正向平面圖 (a)正向X-Z平面圖 (b)正向Y-Z平面圖[3]。 18 圖2. 8 一般光塞取分波多工濾波器[6]。 20 圖2. 9 常見2×2光開關切換狀態。 23 圖2. 10進階型2×2光開關非互易狀態。 24 圖2. 11進階型2×2光開關互易狀態。 25 圖3. 1 不具保護之WDM-PON典型架構。 27 圖3. 2 單一WDM-PON複製型保護架構[8] 28 圖3. 3 Colorless ONUs保護架構I[9] 29 圖3. 4 Colorless ONUs保護架構I波長配置圖[9]。 29 圖3. 5 Colorless ONUs保護架構II[10]。 30 圖3. 6 單一WDM-PON樹狀-環形(tree-ring)保護架構[11]。 31 圖3. 7 文獻[12]之波長配置圖。 32 圖3. 8 文獻[12]之系統保護設置圖。 33 圖3. 9 文獻[12]故障發生時保護路徑。 33 圖3. 10 文獻[13]之系統保護設置圖。 35 圖3. 11 文獻[13]之波長配置圖。 36 圖3. 12 文獻[13]ONU端設置圖 (a)正常狀況 (b)故障狀況。 36 圖3. 13 文獻[13]光纖使用圖(a)正常狀況(b)保護狀況。 37 圖3. 14 多重WDM-PON相互(Mutual)保護架構[14-15]。 37 圖3. 15 文獻[16]之系統保護設置圖。 39 圖3. 16 文獻[16]之波長配置圖。 39 圖3. 17 多重WDM-PON多重次環形保護架構[7]。 40 圖3. 18 新式保護架構之波長配置圖。 41 圖3. 19 新式保護架構之正常狀態。 43 圖3. 20 故障發生時切換至保護路徑(feeder fiber-2)。 45 圖3. 21 故障發生時切換至保護路徑(feeder fiber-1)。 46 圖4. 1 可逆全通式光循環器 47 圖4. 2 可逆全通式光循環器腳位電壓與光開關狀態 50 圖4. 3 進階型2×2光開關驅動電路方塊圖 51 圖4. 4 74LS157邏輯圖與真值表 51 圖4. 5進階型2×2光開關的驅動電路圖 53 圖4. 6進階型2×2光開關PCB圖 54 圖4. 7 光開關的實體電路板 54 圖4. 8進階型2×2光開關儀內部 55 圖4. 9進階型2×2光開關儀外部 56 圖4. 10 狀態一及狀態二的示意圖 57 圖4. 11 狀態三及狀態四的示意圖 58 圖5. 1 實驗架構之正常狀態。 63 圖5. 2 正常狀態下Fiber 2與Port C的斷點位置。 64 圖5. 3 正常狀態下ONU Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 64 圖5. 4 正常狀態下Fiber 1各個斷點位置。 65 圖5. 5 正常狀態下OLT Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 65 圖5. 6 實驗架構之保護狀態(一)。 67 圖5. 7 保護狀態(一)下Fiber 2與Port C的斷點位置。 68 圖5. 8 保護狀態(一)下ONU Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 68 圖5. 9 保護狀態(一)下Fiber 2各個斷點位置。 69 圖5. 10 保護狀態(一)下OLT Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 69 圖5. 11 實驗架構之保護狀態(二)。 72 圖5. 12 保護狀態(二)下Fiber 1與Port C的斷點位置。 73 圖5. 13 保護狀態(二)下ONU Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 73 圖5. 14 保護狀態(二)下Fiber 1的各個斷點位置。 74 圖5. 15 保護狀態(二)下OLT Rx之濾波器前端接收到的光頻譜圖。 74 圖5. 16 ONU Rx之濾波器後端接收到的2.5Gb/s光頻譜圖。 76 圖5. 17 ONU Rx之濾波器後端接收到的10Gb/s光頻譜圖。 76 圖5. 18 下傳之訊號眼圖。 77 圖5. 19 下傳BER曲線的比較。 77 圖5. 20 上傳之訊號眼圖。 78 圖5. 21 上傳BER曲線的比較。 78 圖5. 21 10Gb/s下傳BER曲線的比較。 80 圖5. 21 10Gb/s上傳BER曲線的比較。 80 表目錄 表1. 1 光元件及設備之故障率及故障修復所需時間[2]。 5 表2.1 各項不同光開關技術的比較表[5] 22 表4. 1 光循環器(X)正向循環狀態及反向循環狀態的參數 48 表4. 2 光循環器(Y)正向循環狀態及反向循環狀態的參數 49 表4. 3 狀態一及狀態二的量測結果 57 表4. 4 狀態三及狀態四的量測結果 58[[note]]學號: 699440086, 學年度: 10