( 光纖通訊實驗室 )

電子系 許 仕 老師 hsushih@csu.edu.tw

教學觀摩與經驗分享

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大綱光纖通訊簡介3K 機器人感測器之介紹結語

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光通訊的起源鎬京的烽火台西周時，為了防備西邊犬戎部落的侵擾，政府在鎬京附近的驪山一帶，修建了許多烽火台。一旦發現犬戎入侵，士兵就在烽火台上點火或生煙，召喚諸侯到鎬京抗敵。烽火戲諸侯周幽王是西周晚期的暴君，他為了逗寵妃褒姒一笑，在無戰況時竟派人點燃了烽火台上的烽火。各路諸侯以為天子有難，急忙率兵至鎬京。褒姒在城樓上看到諸侯的狼狽相，就放聲大笑。諸侯知道自己被戲弄，都十分不滿。西周的滅亡後來，犬戎入侵鎬京，幽王點燃烽火。諸侯以為幽王再次戲弄他們，都不理會烽火警報，結果周幽王被犬戎所殺，西周滅亡。

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現代無線光通訊

Transmitter Receiver

medium

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光纖的誕生

2009 諾貝爾物理學獎得主 (Nobel Prize Winner), 高錕

玻璃光纖作為介質波導進行光學波段通信 1000dB/Km

1966年

1972年

1995 年

康寧公司 (Corning)20dB/Km

日本茨城通信研究所0.2dB/Km

高錕和哈克漢姆

玻璃材料淨化

製造技術發展

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雷射的誕生

Theodore Maiman in 1960.

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光纖和雷射發展史

年代 人名 重要事件

1960 梅曼 (Maimen) 紅寶石雷射 ( 固體雷射 )

1962 Hall 和 Nathan 砷化鎵 (GaAs) 半導體雷射

1966 高錕和 Hockham 發表“光纖傳輸”之論文

1970 康寧公司(Corning)

低損耗光纖研製成功 (20 dB/km)

1972 貝爾實驗室 (Bell Lab)

光纖損失降為 (2.5 dB/km)

1979 日本茨城通信研究所 光纖損失降為 (0.2 dB/km)

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電通訊與光纖通訊之差異？

< 電通訊 >

銅線

< 光纖通訊>

< 光纖 >

( 電訊號 ) ( 電訊號 )

( 光訊號 )

( 電訊號 )

( 電訊號 )

( 電訊號 )

[ 電光轉換器 ] [ 光電轉換器 ]

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FTTx 網路示意圖

Internet

Service Node

LeasedLine

Frame/CellRelay

Telephone

Interactivevideo

SNI

Operation system

OLT

FTTx

ONT

ONT

NT

NT

Twisted Pair

ONU

ONU

FTTH 光纖到家

FTTB 光纖到大樓

FTTC 光纖到路邊

FTTCab 光纖到機箱Fiber to the Cabinet

Fiber to the Curb

Fiber to the Building

Fiber to the Home

FTTP , Fiber-to-the-PremisesOptical Fiber

7Optical Line Terminal

Optical Network Terminal

Optical Network Units

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光發射機 (Transmitter) 與光接收機 (Receiver)

光發射機(Transmitter,E/O)電訊號 (E) 光訊號 (O)

光接收機 (Receiver,O/E)光訊號 (O) 電訊號 (E)

雙向光纖通訊 : 光發射接收機 (Trans-Ceiver)

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載具光纖傳輸系統

光發射機

光纖

視訊鏡頭

監視器

光接收機

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光纖的傳輸原理

利用”全反射原理”達成光纖傳輸

)n

n(Sinθ

1

21-c

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光纖的製作

裸光纖

預型體

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光纖抽絲系統

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單模光纖與光纜

單模光纖 光纜

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單模與多模光纖結構

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光纖通訊主流纖核(core)

纖殼(cladding)

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點石成金

石頭 矽晶圓 (99.999%)

點石成金

玻璃

點石成金

光纖 (99.999% , SiO2)

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光纖連接器

FC SC ST Biconic

D4 E2000DIN EC/RACE

VFO/DFHMS-10/A

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電磁波頻譜(C=3x108 m/sec)

光纖通訊頻譜 : λ2 = 1.31μm , λ3 = 1.55μm通訊發展過程 : 無線電波 微波 光纖通訊 ( 紅外線 )

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微波

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電磁波頻譜量測儀器頻譜分析儀

(Spectrum Analyzer, SA)

光學頻譜分析儀 (Optical Spectrum Analyzer, OSA)

頻率 (Hz) 波長 (nm)

光纖通訊波段 : λ2 = 1.31μm = 229000 GHz

λ3 = 1.55μm = 193500 GHz

示波器 (Oscilloscope)

時間 (Sec)

低頻(0 ~ 1 GHz)

中頻(0 ~ 300 GHz)

高頻(>100000 GHz)

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光纖的通訊波段

光纖通訊波段 : λ2 = 1.31μm λ3 = 1.55μm

半導體雷射

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寬頻寬，資訊容量大 低損失，適合長距離通信 重量輕、體積小，安裝容易，空間利用效率高 無 EMI/RFI干擾問題 安全性佳，不易被竊聽 製造光纖用之矽原料豐富將來升級容易

光纖通訊的優點 1/2光纖通訊的優點 1/2

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通訊頻寬

1. Twisted Pair : 200 MHz

2. Coaxial Cable : 2 GHz

3. Optical Fiber : 10000 GHz

由兩根直徑約 1mm組成之銅纜線 ( 外層以絕緣材料 )

包成螺旋狀互絞而成

電纜線徑 1英吋，內導體直徑2.77mm 。5C 電纜線，內導體直徑 1.05mm 。

光纖通訊的優點 2/2光纖通訊的優點 2/2

10000G : 2G : 200M = 105 : 20 : 220

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光纖熔接機光纖切割刀

光纖剝線鉗無棉絮擦拭棉

擦拭酒精

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光時域反射儀 (OTDR)(Optical Time Domain

Reflectmeter) 功能：量測光纖損失

參數 (dB/km) 及光纖斷點量測。

應用：在光纖施工維修中，判斷光纖斷點之位置。

測試光纖

OTDR 光譜

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北竿東引

南竿

西莒

中山高速公路光纖通信系統

西部第一幹線光纖通信系統

東部光纖通信系統

基隆

蘇澳花蓮

台北桃園新竹

台中

嘉義

台東台南

高雄

澎湖

臺灣主要長途光纖通信系統示意圖

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都會區網路（ MAN ， Metropolitan Area Network ） 。都會光纖網路，主要在都會區（ Metro ， Metropolitan ） 內，連接地方電話公司（ ILEC ）的中央機房（ CO ， Central Office ） 、長途電話公司的銜接點（ POP ） 、 ISP 的銜接點（ POP ）及大企業在都會區的內部連線等互相連接的網路系統。

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Fiber-optic Link Around the Globe (FLAG)~27300 km

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ChinaChina--US Undersea Cable NetworkUS Undersea Cable Network

崇明汕頭

枋山

琉球

釜山

千倉

關島

ChinaChina--US Undersea Cable NetworkUS Undersea Cable NetworkChinaChina--US Undersea Cable NetworkUS Undersea Cable Network

崇明汕頭

枋山

琉球

釜山

千倉

關島

TransPacific Cable (TPC)

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Year in service Cable systemCost ( US $ )

per voice pathCapacity

( voice paths )

1957 Hawaii 1* 378,000 91

1964 TPC – 1* 406,000 167

1974 Hawaii 2* 41,000 1,690

1975 TPC – 2* 73,000 1,690

1988 TPC – 3 16,000 37,800

1992 TPC – 4 5,500 75,600

1996 TPC – 5 2,000 604,000

1999 China-US < 200 4,915,200

1999 Guam-Philip KDD AT&T,Philip Telco

1999 Southern Cross Telecom New Zealand,Optus

1999 Taiwan-China

2001 TPC-6 Japan-USA AT&T / KDD

* No longer in service Source : Telegeography Inc.

History of Transpacific Cable Systems

光放大器商業化

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光纖與雲端運算系統

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3K 機器人之感測器設計 ( 與智慧型載具實驗室及機械系 - 李政男老師合作 )

目前已設計完成之感測器有 :1. 視訊模組 .2. 全球衛星導航 (GPS) 模組 .3. 超音波感測模組 .4. 米輪測距模組 .5. 坡度儀感測模組 .6. 氣體感測模組 .

3K產業【 (註 : 日文發音 :骯髒(kitanai) 、辛苦 (kitsui) 、危險(kikem)】

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三 K 機器人之介紹

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審查意見及回覆

可旋轉式攝影機：將現場之圖像傳回操控端，可作 360 轉向

高亮度LED燈具：用於下水道管線內之照明用

攜行提環：便於將下水道機器人載具攜行

回收套環：便於將下水道機器人載具攜行

齒狀傳動輪：可為四輪或六輪，用於下水道管線內爬行用

防水外殼：用以容納傳動機構以及電路線路

攜行提環

纜線連結處

下水道機器人

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自動化乾冰清潔機器人

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視訊模組

類比電視棒 (USB ) 模組介紹 :1. 採用 USB2.0 介面，能提供更快傳輸速 度。2. 支援隨插即用及熱插拔功能，更容易安裝使用。3. 支援多種類比訊號輸入端子。4. 提供單張靜態影像擷取功能。5. 提供影像之亮度、對比、色調、飽和度調整功能。

鏡頭 : 彩色 1/3 英寸 國產 紅外燈 : 36顆 (國產高級 LED燈 ,非一般便宜燈 ) 水平解析度 : 420  線系統制式 : PAL/NTSC  PAL ( H X V ):512X 582   NTSC ( H X V ): 542 X 492電子快門 : PAL= 1/50 - 1/100,000 秒 NTSCL= 1/60 - 1/120,000 秒最低照度 : 0.1Lux (F: 1.2) . 信噪比 : > 4dB (自動增益關閉 )伽瑪 : 0.45 . 背光補償 : 開 / 關 切換自動增益 : 開 / 關 . 自動白平衡 : 開 / 關 鏡頭安裝方式 : C/CS . 視頻輸出 : 1 Vp-p, 75Ω電源輸入 : DC 12V

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AV端子

視訊鏡頭

類比電視棒

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美國國防部於 1973 年為軍事目的而開始發展。 GPS 系統全名為 Navigation 〈導航〉 Satellite 〈衛星〉

Timing 〈授時〉

And Ranging 〈測

距〉 簡寫成 NAVSTAR 。 亦稱為 Global Positioning System ，簡稱GPS〈全球定位系統〉。

GPS可以提供授時、定位及導航的功能。

GPS (Global Positioning System) 簡介

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全球定位系統 (GPS) 模組

(GPS) 接收天線及傳輸模組

GPS:規格特色：快速定位及追蹤 10 顆衛星的能力。

晶片內建 1920 次／頻率硬體 , 提高 接收傳送搜尋衛星訊號。

內建WASS/EGNOS解調器。採用 SiRF LP 低耗電量晶片。支援 NMEA0183 2.2版本規格輸出。

提供省電模式。改良式計算理論，提高不良環境下

的信號接收能力和定位準確度。

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(GPS) 接收天線傳輸模組

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全球衛星導航 (GPS)

GPS週期 = 12 小時GPS軌道高度 = 20200 km

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GPS顯示衛星分佈狀況 日期

台北時間

北緯

東經

有效衛星 =藍色(數值越大，訊號越強）無效衛星 = 紅色

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克卜勒行星第三定律 (Keplers third law)

T=12小時 =43200秒 . r=26600 km.( 為地球半徑4.16倍 )

h = r- 地球半徑 (6400km) = 20200km.(h : 地表上空高度 )

全球衛星導航 (GPS)- 衛星高度 =20200km

):r,:(Trkr)GM

4(T 3

e3

e

22 行星軌道半徑行星週期

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地球 GPS 衛星

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克卜勒行星第三定律 (Keplers third law)

T=24小時 =86400秒 . r=42300 km.( 為地球半徑6.6倍 )

h = r- 地球半徑 (6400km) = 35900km.(h : 地表上空高度 )

同步衛星高度 =35900km

):r,:(Trkr)GM

4(T 3

e3

e

22 行星軌道半徑行星週期

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地球 同步衛星

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中國之北斗衛星導航定位系統，目前已經發射了10顆衛星，於 2012 年覆蓋亞太地區， 2020 年擴充為全球衛星導航系統。

歐盟 1999 年初正式推出「伽利略」計劃，部署新一代定位衛星。該方案由 27顆運行衛星和 3顆預備衛星組成，可以覆蓋全球，位置精度達幾米，亦可與美國的 GPS 系統兼容，總投資為 35億歐元。目前已經發射三顆實驗衛星，未提供服務。

俄羅斯的 GLONASS 系統。

其他國家之衛星導航 系統

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超音波感測模組輕巧短小： 0.870" x 0.785" x 0.645" (2.2 x 2.0 x 1.6 cm),

0.15 oz (4.3 g)大範圍偵測： 0 – 6.45 m (21.2 ft)無死角 (0到 15.24 公分顯示 15.24 公分的距離值 )分辨率為 2.5 公分 ((1”)42 kHz 超音波感測器 , 20 Hz 讀取速率三種介面（所有同時運行 ) PWM 頻寬調變： 147 μs/inch

1. 使用電壓： DC5V2. 靜態電流：小於 2mA3. 電平輸出：高 5V  4. 電平輸出：低 0V5. 感應角度：不大於 15 度6.探測距離： 2cm-450cm

接腳定義1 VCC ：電源 5V2 TRIG ：控制端3 ECHO ：接收端4 GND ：地線

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米輪測距模組

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米輪機 (500脈波 / 轉 ) 米輪機表頭

RS485 轉RS232

RS232 轉 USBPC

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坡度儀感測模組本模組有內建之 RS232資料傳輸界面，可與電腦串列埠 (Serial Port, or COM Port) 連接，利用軟體即可進行資料傳輸。數位水平儀規格 :角度量測範圍… 45°操作溫度……… 0°C ~ 50°C解析度………… 0.1°儲存溫度……… -10°C ~ 60°C 量測精度……… ± 0.1°電源……… ....…9V DC .

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坡度儀感測模組

MEMS(Micro Electro Mechanical System)微電機系統 :定義為一個智慧型微小化的系統，包含感測、處理或致動的功能，此外為兩個或多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一或多晶片上。

Y－

X＋

Y＋

X －

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下水道機器人感測器方塊圖

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下水道機器人監控視窗

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管道機器人監控視窗

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光纖通訊是現今有線通訊的主流。3K【骯髒 (kitanai) 、辛苦(kitsui) 、危險 (kikem)】產業，所延伸的機器人，將會是今日及未來值得發展的產業。

結語

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感謝聆聽謝謝指教