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光纤通讯基础简介(上)一、光通讯简介1、使用光通讯技术的优点它是以光当作载波，透过光纤当传输介质将信息传递至远方。若以铜质同轴电缆与光纤作一比较，同轴电缆是搭配电磁波以数百MHz至数个GHz频率，以模拟的方式来传递信息，但其载波频率会受到20GHz理论值的限制；若以长距离光纤通讯而言，光的载波频率可达193,000GHz。而传输信息的频宽取决于载波频率，因此，若同轴缆线最大上限可以传输两个10GHz的频道，理论上，光纤则可以传输数以千计的10GHz的频道。此外，光纤质轻直径小，在光缆铺设过程中可以节省空间，加上在传输的过程中的衰减比铜质导线低，以单模光纤而言，每公里衰减约为0.20.5dB，且对于光讯号在光纤传输过程中，对于电磁波的干扰较不敏感，因此适合高容量及长距离通讯。2、应用的层次光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离(600km以上需要中继器，最大可达9000km)传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及品质的问题。有线电视方面，因所需求的频宽较高，每个频道的所需的影像频宽约为6MHz(声音频道约为8KHz)，以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。而数据通信(Datacommunication)上面，则是现在最热门的话题，随着信息时代的来临，网际网络需要大量的频宽来传递多媒体的信息，从短距离(1500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(120km)的MAN以至于长距离(60600km以上)的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决频宽不足的问题，近年来，因网际网络Interent的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。3、基本光纤通讯架构图一为点对点光纤通讯的基本架构，基本上是由光收发模块及光纤所组成，首先我们利用数字或模拟调变的方式将信息载在发射器上，以光波为载波透过光纤将讯号传递至远方，若距离较长，光纤则透过联结器(Connector)或接合器(splice)方式延长，最后到达光传感器端，在注重噪声与讯号比(S/N Ratio)情况下，并用clock recover的方式下将光讯号转回电讯号，而将信息解调回来。 4、数据传输趋势图二是数据通讯标准的演进过程示意图，近年来，通信标准所定义的容量有逐年增加趋势，主因是区域及全球对频宽速度及容量渴望的影响，而光纤通讯的解决方案，对传输每单位Mb所需的成本也会逐年的下降。若以网络区域的大小来区分，会常见到几个名词WAN(Wide Area Network)国对国或全球长距网络、MAN(Metropolitan Area Network)区域性或城市间通讯网路、LAN(Local Area Network)一般使用者的计算机网络或使用路由器(Router)连结Internet、Dial-up Network即一般个人计算机的调制解调器或电话所联结的网络。一般来说，前两者网络属于通讯公司所有，用来处理数以万计的电话通讯，而后两者则与PC及数据通信息息相关。 二、光学物理特性在光纤通信方面，我们是利用光当作载波(Carrier)，因此，再更进一步了解光通讯之前，应对光学的物理特性做一个概括性的了解，接下来，我们对光的物理特性应用在通信上基础的知识做一简单的介绍。1、光通讯传输波段(Communication Band)基本上，我们可视光是电磁波的一种，若我们以sin波形来表示，则为其波长，如图三所示。光速在真空中传递速率为3108m/s，若在介电材质中传递(如玻璃)，会因折射率不同而速度变慢，波长也会因此而有所改变，但一般来说，波长皆是定义在真空的状态下。图四则是一般常用的光谱波段示意图，其中横轴表示可为频率及波长。因为光速=频率波长，所以频率与波长对光速是为倒数关系，但在通讯上一般较常用波长来描述。举例来说，若我们以现今DWDM通信波长1550nm(10-9m)来估计，频率约193THz(1THz=1000GHz)，如我们只利用到1%的频宽，则频宽可达193GHz！2、光的功率(Optical Power)传输用的Laser power也有它相对应的规范，如国际标准的IEC825-1或美规CFR 1040.10等。一般光功率所使用的单位有mW及dBm两种，前者为线性，后者是取log值。使用后者的好处是分析讯号时，可增加其动态范围(Dynamic Range)使吾人在同一坐标轴中分析时易于观察，例如1000mW与2mW的讯号，两者尺度差异为500倍，但若换成30dBm与3dBm，尺度在10倍左右而易于分析。而当我们分析两个相对的功率时，则用dB来表示。3、同调性及干涉效应(Coherent & Interferent)此效应属于光波动的特性，当考虑一同波长的光源，若组成光源的各光子间其相位(Phase)的相关程度越高，则表示同调性(Coherent)越高，而干涉或绕射的程度也会跟着提高。若同调性越高，当传输时较能保持一定的相位，例如Laser；而相关程度越低，光子间的相位较不易保持，呈random的现象，例如自然光及LED皆是。CL(Coherent Length)的定义则是光子间能维持相位同调的相关性长度。而干涉及绕射效应是当两个不同的光子到达同一个位置时，因相位差异造成的建设性或破坏性干涉，使光强度有极大值或极小值的变化。 4、反射(Reflection)当光行进时遇到任何的断面或是折射率不连续的地方，例如air gap、misalignment时，就会造成反射，当利用光做数据传输时，反射会造成两个问题，第一是反射光源产生的噪声会抑制传输的S/N比，第二是反射能量会造成Laser Source端的不稳定。若端面是两个以上，因折射率不连续之故，则会产生二次或三次的反射现象，且端面距离若在CL的范围内，则必需考虑光源强度或波长改变时造成周期性干涉的影响。反射损耗(RL Return Loss)的定义如下，其值越大表示越不易在端面上产生反射。 5、偏极化(Polarization)光可视为电磁波的一种形式，偏极则表示行进波在传递时的脉动方向，因电磁波在传递时，电场与磁场方向为正交(orthogonal)，因此在表示偏极化时一般以电场方向来定义，即Ex及Ey，若行进波一直维持在Ex或Ey轴行进，则称此波为水平或垂直线性偏极，若行进波行进时会因时间改变做顺时针或逆时针旋转，则称此波为右旋或左旋圆偏极。一般以SOP(State Of Polarization)来表示极化的状态。而DOP(Degree Of Polarization)则表示单位能量所产生偏极程度，例如LED，其值相对的较小，表示偏极化程度较低，而自然光是各方同相性，视为无偏极化，但半导体雷射光源的极化程度较高，可达90%以上。基本上，任一偏极可分成Ex及Ey两个分量，但两个分量的相位差为0或180度则为线性偏极，而圆偏极是由两个等量的Ex及Ey所形成，但当Ex及Ey分量在波行进时相位角相差90或270度时，因两分量相位差而使偏极会随时间有周期性的变化，若两分量大小相等称为圆偏极，若大小不等便是椭圆偏极。另一种情况下，当两分量相位差并不为90度的整数倍时，都有可能形成椭圆偏极。因此，当我们对偏极光源应用/4或/2的延迟片(使相位角延迟90或180度)，便可以将圆偏极分解成两个线偏极，或由某个偏极化状态转移至另一个偏极化状态。对于偏极化系统的计算表示方式有许多种，如Muller Method 的矩阵或Joness矩阵方式，但因为是数学形式，我们不易从数学模式的换算中得到讯息，而Poincar Sphere则提供了一个容易辨别极化状态及程度的图表，类似RF的Smith Chart，吾人从图中便能很快的知道极化的状态。这是利用Stoke参数来表示，此参数共有四个值，分别为(S0,S1,S2,S3)，S0代表能量的大小，S1代表水平或垂直线性偏极，S2代表+45度或-45度线性偏极，S3表示右旋或左旋圆偏极，其如图九所示。若相位差或强度不同的椭圆偏极，它就不会出现在这三个轴上，而可能在圆中的任一点，若点出现在三个轴的中心，就表示此为无偏极化，它的好处在于我们可以记录或分析极化从一个状态转变到另一个状态的过程。一般来说，光会随着介质的边界条件而改变极化的状态，亦即当我们送入一偏极化光源至光纤中时，若对光纤做温度或应力的变化，便会改变极化的状态，若要维持极化的一定性，就需采用PM(Polarization Maintain)光纤。另外，在光纤通讯方面，水平偏极与垂直偏极所传输的速度会有些许差异，这是我们因为可视光纤为一种birefrigent，这个差异，会在高速数据传输时造成信号延迟失真，一般称为PMD(Polarization Mode Dispersion)，关于这方面，我们在光纤部分再做解释。 6、数字及模拟讯号调变(Digital & Analog Modulation)数字调变利用两功率切换的方式做讯号的调变(即0与1)，若以Laser来说，P0并不一定代表无光源输出，而是比Threshold偏压稍高，如此Laser才能在高速反应下操作。一般在Transcever上会量测到消灭比例Extinction Ratio(ER=P1/P0)，这可以反映出S/N比，另外，在通信上常用到时域分工TDM(Time Division Multiplexing)，如同无线通信GSM的原理，将时域分成数个Channel，每隔一段周期性时间后便轮到下一位User，另外是常被鉴定为通信品质依据的位错误率Bit Error Ratio(BER=Nerror/Ncorrect)，定义是传输一个数目的位资料下产生错误的数目比例，例如若传100个位，经过数字调变后产生一个位的错误，则BER为1E-2，一般在通信的标准为1E-9至1E-12甚至到1E-15。模拟调变类似AM调变的方式，将RF讯号透过Mixer将资料利用模拟方式载在Laser上传输，以CATV较为常用，因功率调变方式会使系统对于反射相当敏感，因此其光纤连接头大部分为斜角端面(如APC)，目的是使反射减少。 三、通讯规范(Communication Standard)通信规范的制定是为了提供系统及组件制造商能够整合为目的，大致包含测试设备的兼容性、各种通讯参数的定义、标准测试步骤及方法、各种资料协议间的联结、传输品质提升及合工/分工器(Multiplex/Demultiplex)系统效能提升等。通信规范的理念来自于七层网际网络通讯协议(Internet Protocol)中的实体层(Phyical Layer)，此为最基本的硬件规范，如功率、传输速度(Bit Rate)、抖动(Jitter)等，进而由此延伸到电路功能设计及光组件方面各种参数的定义。以下是对于通信的标准规范做一简单的介绍1、PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy)PDH是SONET的前身，早期在60年代的通讯用途中，数据传输属于点对点模式，因此没有一定的通讯标准，但当各地区的区域性的电讯要汇入较大的资料流量做长距离传输时，因各地区信息的时脉速度不尽相同，而会造成传输上时间间隔(time interval)的问题，当时的解决方式是在资料间隔时间较长的时脉中加入假的字符，使数据传输能有类似同步的效果，不过这会有许多缺点，如在高速传输的系统中较不易上传或下载速度较慢的资料，另外，没有标准的规范，使得编码或传输接口的问题也无法获得有效的解决。2、SONET/SDH (Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy)SONET最初是由美国的Bell公司所制定，目的是资料从主干到达各区域的分支点时仍能够维持通讯时脉的一致性，它的架构是以125ms为规律的一个时间区隔，越高的数据传输速度，其单位时间内载的字符数也相对越多，但仍以125ms的时脉为基准。而SDH则适用北美以外的区域，而由欧洲所制定，目的是在国际间的传输上也有相同的标准，而此规范允许当一定范围的资料速度由不同管道汇入或汇出多任务(Multiplex)资料流量时，不需要解多任务(Demultiplex)就可以直接做传输。3、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) Standard典型的光通讯，是采用单一载波单方向传输数据，但因为渗饵光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplify)的问世，使得同一条光纤内容许许多载波同时存在传递信息，此标准的定义大部分是由ITU(International Telecommunication Union)所制定，目的是为了保证不同波长的载波之间功率的稳定性并避免各信道载波之间的串音(cross talk)造成信号的失真等。例如ITU G.692 就定义各信道(channel)之间的区间以100GHz为标准(即两载波间间隔为0.8nm)，且固定以193.1THz(约为1550nm)为标准频率向上或向下延伸，例如我们以193.1THz当作第一个信道，并以100GHz为间隔开四个信道，则下一个载波频率便为193.2THz、193.3THz、193.4THz。另外，TIA协会制定的是以50GHz为间隔的标准。4、ATM(Asynchronous Transfer Mode)这可看成是一个多功能的技术，它的目的在于能够有更广泛的应用层次，使不同的传输模式皆能通用，而使现有的通讯容量最佳化，它可以在PDH或SONET/SDH下执行，若我们将SONET/SDH看做为信息的基础架构，则ATM则是加强了切换的服务功能。下表一为常见的通讯传输速度规格SONET/SDH Rates PDH OC-3, STM-1 155.52 Mb/s North America OC-12, STM-4 622.08 Mb/s DS1 1.544 Mb/s OC-48, STM-16 2488.32 Mb/s DS2 6.312 Mb/s OC-192, STM-64 9953.28 Mb/s DS3 44.736 Mb/s DS4 139.264 Mb/s Datacom Rates Europe FDDI 125(100) Mb/s E1 2.048 Mb/s FireWire 100-800 Mb/s E2 8.448 Mb/s Fiber Channel 266-1063 Mb/s E3 34.368 Mb/s Ethernet 10 or 100 Mb/s E4 139.264 Mb/s G-Ethernet 1250 Mb/s 另外，下表二是制定DWDM标准的组织其网站及所设定的部分规范简介。ITU-T http:/www.itu.ch G.691 Optical interfaces for single channel SDH systems with optical amplifiers G.692 Optical interfaces for multi-channel systems with optical amplifiers G.957 Optical interfaces for equipment and systems relating to SDH Telcordia GR-253 SONET transport systems: Common generic criteria GR-1377 SONET DC-192 transport system generic criteria IEC http:/www.iec.ch 61290 Basic specification for optical amplifier test methods 61291-1 Optical fiber amplifiers Part 1: Generic specification TIA TIA/EIA-526-4A Optical eye pattern measurement procedure TIA/EIA-526-6 Optical S/N ratio measurement procedure for DWDM systems 四、光纤特性及相关组件在光纤通讯领域中，所用到的传递媒介皆以光纤为主，依材质有分为塑料及玻璃两种，因考虑到的因素不同而有不同的选择，前者大多用于短距通讯如个人计算机网络、视听设备等，主要考量因素在于价格，而后者大多用于长距离通讯如城市及城市间甚至到越洋海底光缆等，主要考量因素在于损耗及传输品质，另外对于环境的要求也较为重视，例如海底光缆其外披覆层材质就应考虑到抗海水腐蚀性，而目前最热门的DWDM的系统采用的光纤皆为玻璃材质。若单就传输的部分来说，光缆有包含光纤、接合器(Splice)及连接器(Connector)等，而本段就针对光纤的特性部分做一介绍。1、光纤简介光纤基本上是由折射率约1.5左右的核心层(Core)与披覆层(Cladding)介电材质所组成(折射率refraction index可以n来表示)，它的地位相当于微波通讯中的阻抗(Impedance)，在光纤制作过程中要维持折射率的一定，其目的是要光在传播时在核心层内造成全反射，而使光在彼端传输损耗达到最小。一般核心层的折射率要比披覆层稍高，而披覆层主要目的是使光在全反射时，使核心层端与外界所造成的肌肤效应(skin effect)达到最小损耗所设计。若以折射率分析，光纤有分为步阶式(SI Step Index)与渐进式(GI Gradient Index)两种，以图十为例，表示为100/140m的步阶式光纤(前表示核心层直径，后表示加上披覆层直径)。一般此种核心层直径大小的光纤有石英材质(SiO2)及塑料压克力材质(PMMA Polymethyl methacrylate)两种。 2、数值孔径(NA Numerical Aperture)光纤的数值孔径是表示在何种角度下的光源耦合入光纤时可以在核心层端内造成全反射，若我们用Snell定律可推导出数值孔径大小，如图十一所示。若以量测方面来定义，它是从光纤发射出sin光源强度分布中的半波宽为值，它代表着当光源耦合入光纤时的难易度，由此，我们也较清楚知道光学组件制作时应采用何种聚焦透镜，一般来说，上述步阶式光纤NA值约为0.30.4左右。 3、石英(SiO2 Silica)光纤对波段的吸收图十二为石英光纤在不同波长的光源下，每单位公里所造成的衰减示意图，造成衰减的主要原因有下列三种瑞立散射(Raleigh scattering)、吸收(Absorption)及光纤内部的微弯曲(Micro bending)。分述如下瑞立散射是造成光纤衰减的主因，主要是因为光纤的结构是玻璃材质，其结晶成分是非均匀性的，因此造成光在传播中会有散射，这种现象会随波长越长而衰减越小；而吸收有来自光纤制作时的不纯物与水分渗入的影响，其中以水分子吸收影响最为明显，因水分子的氢氧基键结会对1.39m部分波长光源产生吸收，因此在光纤通讯中，较不常用此一波段，但近年来光纤制程有所改进，而可以将此吸收部分降至趋近于零；第三种来自于光纤制程时内部应力产生的微弯曲造成的衰减，它出现在所有的波段中，应在光纤制程上尽量避免此一效应。从图十二中的三个区域，是光通讯最常使用的波段，第一个波段衰减最大，不适合做长距离传输，第二第三衰减较小，其中1550nm左右波段有衰减的最小值，因此最适合做长距离传输。 4、多模及单模光纤光是电磁波的一种，而光纤可视为是电磁波的波导(Wave-guide)，若我们以边界条件的概念来推导入射波的传递模态(propagation mode)，在固定波导直径大小下，当某个频率以下(波长以上)的传输时，波导内只容许一个路径传播，我们称此频率为截止频率(Cutoff frequency)或截止波长(Cutoff wavelength)，在截止波长以上只有一种传递路径者称为单模(SM Single Mode)，以下者(有两种以上传输路径)称为多模(MM Multi Mode)。以850nm的波长为例，100/140m步阶式光纤可以有数千种以上的模态(如TE00、TE01.为其中两个模态，而一个模态代表一个传输的路径)，因此光在传输时有数千种路径可选择，而造成多模失真(Multimode Dispersion)，而使得传输能力限制在每公里20Mb/s，若为塑料光纤则会受到约每公里5Mb/s的上限，因此限制了上述步阶式直径的光纤传输极限，但却因为制程所需费用较节省而适用于短距传输上，如LAN、汽车内部通讯或视听音响系统中。解决多模失真的方案是采用渐进式折射率光纤，如图十三所示，其核心层中央的折射率较大，而靠近披覆层的折射率较小，因光在折射率大的介质中速度较慢，因此在不同路径下，到达的时间趋于一致，而使模态失真减少，一般常用的渐进式折射率光纤有50/125m与62.5/125m两种，其传输能力可以提高到每公里1Gb/s。前提到在截止波长以上称为单模光纤，若以1300nm或1550nm为截止波长，其相对应的光纤为9/125m与10/125m两种。理论上，传输能力可达到每公里1000Gb/s，但因有其它原因(CD、PMD)，使得单模光纤传输速度无法完全达到1000Gb/s。 表三为各种类光纤规格大略比较表材质 石英光纤 塑料光纤 折射率型态 步阶式 渐进式 步阶式 步阶式 模态 多模 多模 单模 多模 直径比(举例) 100/140m 50/125m 9/125m 3mm core约80% 数值孔径 0.30.4 0.2 0.1 0.30.5 每公里传输速度 20Mb/s 1Gb/s 1000Gb/s 5Mb/s 使用波长(nm) 850 850、1300 1300、1550 650、780、850 使用光源 LED Laser、LED Laser LED 每公里衰减(dB) 310 0.53 0.20.4 2050 5、色散(CD Chromatic Dispersion)当光在同一介质中传播时，因波长的不同而造成速度上的差异称为色散，例如白光穿透三菱镜时所造成分色的光谱便是一例。因任何耦合入光纤的光源并非绝对单一的波长(Laser也不例外)，因此这种速度上的延迟便会造成失真，因此在我们就必须要量测它并加以补偿。以单模光纤为例，色散所造成的延迟约为数十ps(nm*km)，即光源越纯，色散失真越小(多模光纤也有此现象，但其模态失真延迟时间的数量级约为10ns = 10000ps，数量级远大于CD，因此可以不考虑此一影响)，此种失真会使传输速度在10Gb/s以上或传输距离数百公里以上时会有相当大的影响，补救的方法一般采用布拉格光纤(FBG Fiber Bragg Grating)做补偿(后述)。 6、偏极化模态失真(PMD Polarization Mode Dispersion)考虑单模光纤在单一波长光源传输下，虽然为同一传输路径，但偏极化却不一定为同一方向，若将此向量分成水平与垂直轴来看，偏极光在此两方向传递速率不会一致，而造成讯号时间延迟，约为数个ps(nm*km)，基本上，在光纤中是无法做事后的补偿，因此在制程上就要尽量避免此一现象。而在高速通讯系统中如DWDM，便会要求整个系统的品质，而在某些组件上，也会需要减少此一讯号延迟失真。另外一个常见的量测是偏极化耗散(PDL Polarization Dependent Loss)，以光纤为例，因偏极光在传输时其偏极的方向会随光纤应力、弯曲及本身材质特性而使极化方向改变，而极化方向会使光感测二极管(PD Photo Detector)所得到的光电流会有误差，因此在高速传输中此一参数的要求也日形重要。 7、联结器(Connector)光纤在制作过程中有一定的长