光系统损耗计算

有线电视光网系统中光分路器的损耗计算一、光功率单位介绍在实际运用中，光功率单位常采用mw或分贝值dBm在有线电视系统中，利用场强仪测得的射频电平是以dBpV为单位表示的，dB表示一个相对值，如甲的功率为18dBm，乙的功率为10dBm，则可以说甲比乙大8dB，dBm是功率绝对值的单位，不要相互搞混淆了。二、光分路器的分光比定义及电气参数光分路器类似于电缆传输网络中的分支器、分配器。在实际的运用中，常常用光分路器把光发射机输出的光信号分成强度不等的几路输出，光强较大的一路传输到较远的设备，光强弱的一路传输到较近的距离，以使各个光节点都能得到近似相等的光功率。光分路器对各支路光功率分配的比例称为分光比，分光比K定义为光分路器某输出端输出光功率与光分路器输出端总的输出光功率之比。分光损耗：不同的分光比对光信号产生的损耗就叫做分光损耗，其值为-10lgK。驸加损耗：光分路器把输入端的光信号按照预定的分光比对各个支路进行分配时，光信号通过光分路器时除分光损耗外，还有光分路器本身对光信号产生的损耗，这种损耗称为光分路器附加损耗。插入损耗：插入损耗包括分光损耗和附加损耗两部分，即插入损耗(dB)=-10lgk+附加损耗。同时光分路器还有频率响应、均匀性、隔离度等技术指标要求。三、光链路损耗的计算光链路损耗包括三个部份：一是光缆对光信号强度产生的衰减；二是网络中各种接头、接点对光信号的衰减;三是网络中器件对光信号产生的衰减，例如光分路器的分光损耗和附加损耗。光链路全程损耗可按下式计算：A=aL-10lgk+Ac+Af。式中：A为光链路全程损耗，aL为光纤对所传输光信号的衰减，α为光衰减系数，L为光缆长度。在设计中在光信号波长为1310nm时一般取α=O.4dB／km，当光信号波长为1550nm时，可取α=0.25dB/Km(包括熔接损耗)。Ac为插头损耗，每个接头可按0.5dB计算。Af伪光分路器附加损耗，设计中可按下表所示值计算。光分路器与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现，光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用M×N来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它们组成的1×N光分路器。1．光分路器的分光原理光分路器按原理可以分为光纤型和平面波导型两种，光纤熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；光波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分路器。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，此种情况容易导致光分路器损坏，尤其把光分路放在野外的情况更甚，这也是光分路容易损坏得最主要原因。对于更多路数的分路器生产可以用多个二分路器组成。2．光分路器的常用技术指标（1）插入损耗。光分路器的插入损耗是指每一路输出我相对于输入光损失的dB数，其数学表达式为：Ai=-10lgPouti/Pin，其中Ai是指第i个输出口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口的光功率；Pin是输入端的光功率值。（2）附加损耗。附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的DB数。值得一提的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标。而插入损耗则仅表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣。对于1*N单模标准型光分路器附加损耗如下表所示：分路数2345678910111216附加损耗DB0.20.30.40.450.50.550.60.70.80.91.01.2（3）分光比。分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值，在系统应用中，分光比的确定是根据实际系统光节点所需的光功率的多少，确定合适的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比与传输光的波长有关，例如一个光分路在传输1.31微米的光时两个输出端的分光比为50：50；在传输1.5μm的光时，则变为70：30（之所以出现这种情况，是因为光分路器都有一定的带宽，即分光比基本不变时所传输光信号的频带宽度）。所以在订做光分路器时一定要注明波长。（4）隔离度。隔离度是指光分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。在以上各指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大，在实际系统应用中往往需要隔离度达到40dB以上的器件，否则将影响整个系统的性能。另外光分路器的稳定性也是一个重要的指标，所谓稳定性是指在外界温度变化，其它器件的工作状态变化时，光分路器的分光比和其它性能指标都应基本保持不变，实际上光分路器的稳定性完全取决于生产厂家的工艺水平，不同厂家的产品，质量悬殊相当大。在实际应用中，本人也确实碰到很多质量低劣的光分路器，不仅性能指标劣化快，而且损坏率相当高，作于光纤干线的重要器件，在选购时一定加以注意，不能光看价格，工艺水平低的光分路价格肯定低。三、光衰减器光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV中的一个不可缺少的器件。到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。1、衰减器的衰减原理。光衰减器的类型很多，不同类型的衰减器分别采用不同的工作原理。①位移型光衰减器。众所周知，当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去。反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位。使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的，位移型光衰减器又分为两种：横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器。横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于60dB。轴向位移型光衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。②薄膜型光衰减器。这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器。如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。③衰减片型光衰减器。衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。2．光衰减器的性能指标。①衰减量和插入损耗。衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标，固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指标，高质量的可变衰减器的插入损耗在1.0dB以下，一般情况下普通可变衰减器的该项指标小于2.5dB即可使用。在实际选用可调衰减器时，插入损耗越小越好。但这势必会牵扯到价格。②光衰减器的衰减精度。衰减精度是光衰减器的重要指标。通常机械式可调光衰减器的衰减精度为其衰减量的±0.1倍。其大小取决于机械元件的精密加工程度。固定式光衰减器的衰减精度很高。通常衰减精度越高，价格就越高。③回波损耗。在光器件参数中影响系统性能的一个重要指标是回波损耗。回返光对光网络系统的影响是众所周知的。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比。高性能光衰减器的回波损耗在45dB以上。事实上由于工艺等方面的原因，衰减器实际回波损耗离理论值还有一定差距，为了不致于降低整个线路回波损耗，必须在相应线路中使用高回损衰减器，同时还要求光衰减器具有更宽的温度使用范围和频谱范围。3．光衰减器的应用范围。固定式光衰减器主要用于对光路中的光能量进行固定量的衰减，其温度特性极佳。在系统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰减或用在中继站中减小富余的光功率，防止光接收机饱和；也可用于对光测试仪器的校准定标。对于不同的线路接口，可使用不同的固定衰减器；如果接口是尾纤型的，可用尾纤型的光衰减器焊接于光路的两段光纤之间；如果是在系统调试过程中有连接器接口，则用转换器式或变换器式固定衰减器比较方便。在实际应用中常常需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器。所以可变衰减器的应用范围更广泛。例如由于EDFA、CATV光系统的设计富余度和实际系统中光功率的富余度不完全一样，在对系统进行BER评估，防止接收机饱和时，就必须在系统中插入可变光衰减器，另外，在纤维光学（如光功率计或OTDR）的计量、定标也将使用可变衰减器。从市场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化，系列化、低价格方向发展。另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。四．光隔离器光隔离器是一种非互易光学元件，它只容许光束沿一个方向通过，对反射光有很强的阻挡作用。在CATV光传输系统中，由于光纤活动连接器，光纤熔接头，光学元件的存在和光纤本身的瑞利散射的作用，总是存在反射光波，对系统性能产生有害的影响，因此就必须采用光隔离器消除反射波的影响，在光反射机，光放大器中都装有光隔离器，隔离器由起偏器，旋光器和检偏器三部分组成。起偏器是一种光学器件，当光束入射到它上面时，其输出光束变成了某一方向的线性偏振光，该方向就是起偏器的偏振轴。当入射光的偏振方向与起偏器的偏振轴垂直时光不能通过，因此起偏器又可作检偏器用。旋光器由旋光性材料和套在外面的永久磁铁组成，借助磁光效应，使通过它的光的偏振方向发生一定程度的旋转。光隔离器的工作原理为：起偏器与检偏器的偏振轴相差45o，当入射光经过起偏器时，被变成线偏振光，然后经旋光器，其偏振面被旋转45o，刚好与检偏器的偏振方向一致，于是光信号顺利通过光隔离器而进入光路中。如果有反射光出现时，反射光通过检偏器和旋光器后，其偏振方向与起偏器的偏振方向正交而不能通过起偏器，从而达到了隔离反射光的目的，每级光隔离器对反射光的损耗高达35dB以上。在CATV系统中对光隔离器性能的要求是：正向损耗低、反向隔离度高、回波损耗高、器件体积小、环境性能好。由于光隔离器比较贵重，所以一般应用在光源中，在光纤线路中不用，只所以不用并不是不需要，而是从成本考虑。如果光隔离器价格便宜，插入损耗又小，可以在线路中应用，以提高系统性能。五、光开关光开关是一种光路控制器件，起着切换光路的作用，在光纤传输网络和各种光交换系统中，可由微机控制实现分光交换，实现各终端之间、终端与中心之间信息的分配与交换智能化；在普通的光传输系统中，可用于主备用光路的切换，也可用于光纤、光器件的测试及光纤传感网络中，使光纤传输系统，测量仪表或传感系统工作稳定可靠，使用方便。在CATV光网络中，为保证有线电视系统的不间断工作，应配备备份光发射机，当正在工作的光发射机出故障时，利用光开关就可以在极短的时间内（小于1ms）将备份光发射机接入系统，保证其正常工作。根