光功率损失的因素

12光功率損失的因素光在光纖中功率的損失，其因素有很多，概略可分為：內在因素與外在因素兩種外在因素：光纖彎曲的損失光纖接續的損失機械式的接續約0.2-1.0dB，而熔接式的接續則＜0.1dB如施工時光纖佈建造成過大角度彎曲。如接續器與連接器所造成的光損失。3光功率損失的因素內在因素：光纖本身既有的損失光纖製造的損失Fresnel反射的損失反射率(%)＝100×(n1-n2)2/(n1+n2)2如製造过成無法消除的雜物之光吸收。如製造的偏差(0.1%纖芯直徑改變會有10db/km)。當光在折射率改變的邊界，會有一部份反射回原介質中)。4接續之光功率損失的因素(1)高接續(splice)損失之因素：不好的黏接或裂開(poorcleave)纖芯的對位不準(mis-alignment)纖芯截接面受到汙染(contamination)兩光纖纖芯直徑未匹配(mismatch)因光纖內光功率的損失會隨光波長有所變動，因此光功率計應與光纖所用波長一樣。空氣氣隙過大(airgap)折射率未匹配5接續之光功率損失的因素(2)連接器(connector)損失之因素：連接器髒或污染(dirtorcontaminations)不適當的安裝(improperinstallation)連接器表面受損(damage)不好的剝線(scribe)光纖纖芯的未匹配與對位不準折射率未匹配光纖系統內使用1310nm，那光功率計與測量光源都應設定在1310nm的波長，若系統內使用1550nm，那光功率計與測量光源都應設定在1550nm的波長。6光纖本體的損失光纖型式纖芯直徑(μm)光源波長(nm)功率衰減量(dB/km)單模光纖915500.25單模光纖913100.5多模光纖5013001.0多模光纖62.513001.5多模光纖508503.0多模光纖62.58504.0多模光纖960660125-2507光功率的計算光功率計(powermeter)是用來量測光在整體光纖連結的功率損失(loss)；通常光功率良測單位為毫瓦(milliwatt－mW)，但為方便起見，我門都以dB(decibel)為單位。增益(gain)G(dB)輸入功率輸出功率增益(gain)以dB表示，則G(dB)＝10xlog(輸出功率/輸入功率)L(dB)＝-G(dB)＝-10xlog(輸出功率/輸入功率)＝10xlog(輸入功率/輸出功率)因輸出功率小於輸入功率，故G(dB)為負值，即損失(loss)8InsertionLossinsertionlossisthelossofsignalpowerresultingfromtheinsertionofadeviceinatransmissionlineoropticalfiberandisusuallyexpressedindBs.InsertionlossisameasureofattenuationbutisamorepreciselydefinedtermIL(dB)＝10xlog(PR/PT)IL(dB)＝-10xlog(PT/PR)原先光功率為PT,裝置插入後光功率為PRInsertionloss(IL)indB9光功率計算之範例光損失的dB值為輸入光功率與輸出光功率比值再取對數，因此無單位，它也是一個非絕對值。光源光功率計0.05光纖0.1mW0.05mW範例：如下圖，輸入光的功率為0.1mW，經光纖連至光功率計，其讀數為0.05mW，求光纖的損失。L(dB)＝10xlog(0.1mW/0.05mW)＝3dB10光功率的計算(續)我們定義一個光功率的絕對量測值，叫做dBm，它是相對於一個1mW的參考功率(它通常用於表示光源強度)。P(dBm)＝10xlog(功率/1mW)一般量測儀器不是dB就是mW，很少有兩種單位同時存在11光功率的計算(續)範例：如右下圖，輸入光的功率為0.1mW，經光纖連至光功率計，其讀數為0.05mW，求光纖的損失。＝－10dBm－(－13dBm)P光源(dBm)＝10xlog(0.1mW/1mW)＝-10dBmP光計(dBm)＝10xlog(0.05mW/1mW)＝-13dBmL(dB)＝P光源(dBm)－P光計(dBm)＝3dB與先前計算相同光源光功率計0.05光纖0.1mW0.05mW12光功率的計算(續)L(dB)＝LPc＋LA＋LAc＋LB＋LBc＋LC＋LCc＋～＋LXc＋LX＋LPc＝(P0－PAIN)＋(PAIN－PA)＋～＋(PXIN－PX)＋(PX－PF)＝P0－PF＝10xlog(P0mW/1mW)－10xlog(PFmW/1mW)＝10xlog(P0/PF)於光纖連結網路中各段光纖與連接器的光功率損失相加等於整體網路的光功率損失。光源光功率計0.05光纖A段P0mWPFmW光接頭A光纖B段光接頭X光纖X段連接線光接頭B光接頭C光纖C段﹋﹋連接線PAINmWPAmWPBINmWPBmWPCINmWPCmWPXINmWPXmWPCCmWPXXmW13PowerBudgetTheopticalpowerbudget,inafiber-opticcommunicationlink,referstotheallocationofavailableopticalpower(launchedintoagivenfiberbyagivensource)amongvariousloss-producingmechanismssuchaslaunchcouplingloss,fiberattenuation,splicelosses,andconnectorlosses,inordertoensurethatadequatesignalstrength(opticalpower)isavailableatthereceiverPdB＝Pdbm＋Pdb＋Pmarginsourcesensorlinkdesign14PowerBudget(cont.)通常以dB表示除了接續、連接器等鏈路的損失外，尚需增加一些dB餘裕以補償光纖老化及未來增加的接續等損失。一般光源提供廠家所給的powerbudget，都是在最佳的情況下，如在某個距離內或某使用某設備等，都未包含光纖特性；因此使用者需再測試傳輸損失與訊號強度。15光功率的轉換從右表，當功率損失為3dB時，功率降為原來的百分之五十(50%)；當功率損失為10dB時，功率降為原來的百分之十(10%)，亦即損失掉90%。如果從dBm中加減幾個dB，其結果仍是dBm。功率(dBm)功率(mW)+301000+20100+1010+3201-30.5-100.1-200.01-300.001-400.0001範例：有一5Km長的光纖，兩端分別連接在配接盤上，兩端再以連接線(patchcord)連接。假設光源10mW，配接部份損失每邊為1.3dB，每條連接線損失為0.2dB，光纜損失為0.8dB/Km，則接收端的光功率為多少mW？答案：2mW16光纖的功率衰減光源波長(nm)功率損失(dB/km)單模：1310nm、1550nm多模：1310nm、850nm17光纖反射功率的損失計算ORL＝10xlog(PR/PInc)光纖反射功率的損失(OpticalReturnLoss－ORL)係指光在光纖中將光反射回光源端的光功率與原光源功率的比值，以dB表示。光在光纖鏈路(含連接器、WDM等)中與光纖材料發生雷氏散射(Rayleighscattering)而將光反射回光源端。量測ORL最常用的儀器有OTDR或ORL測試儀(testset)。設備之配接線OTDR或ORL測試儀光纖系統端設備光纖系統配接盤配接盤設備之配接線SuperorUltraphysicalcontact(SPC或UPC)有很好的ORL規範，APC(angle)雖有較佳ORL規範，但有較大的損失。18斜率(dB/km)代表光纖單位長度的衰減量X區代表光纖因Fresnel現象而無法反應真正的衰減A區代表光纖因接續而有突降的損失B區代表光纖因連接(有極小空隙)造成Fresnel反射C區代表光纖通常因兩個不同光纖(有不同製造廠家、不同雷氏散射)造成回OTDR的光變多，非真正的增益距離(km)dB0ABC接續點連接器接續增益光纖末端Fresnel反射A：接續損失B：連接損失C：接續增益X19光纖型式•單模光纖(single-modefiber)•多模光纖(multimodefiber)高頻寬傳輸率與長距離傳輸(＞2km)波長可1310nm與1550nm設備價格較低廉(光源可用LED)連接器等價格較低(容許誤差較大)多用於短距離(＜2km)的區網(LAN)雜物累積與對位(alignment)有較大容許度20光功率需求(budget)計算Pmin＝Preceiver＋Ploss＋Pmargin•Pmargin應考慮的因素Preceiver：接收器最低需求功率(BER=10-9)Pmargin：保留的餘裕(margin)Ploss：鏈路所有損失(含接續、連接、光纖等)光纖老化(OH入侵)、光源輸出功率的衰減光接收器靈敏度降低、連接器損失增加(髒)接續增加或長度增加等(斷裂)21光功率需求計算範例說明數量單量損失(dB)1光纖損失(波長1310nm)；長度13.5km；損失0.4dB/km13.50.45.42接續損失(＝接續點數8×單量損失0.15dB/splice)80.151.23連接損失(＝連接續點數4×單量損失0.5dB/connector)40.52.04其他組件的損失(如配接線、WDM等等)：0.5dB－－0.55設計保留之餘裕(designmargin)：2.5dB－－2.56全部損失總計(1+2+3+4+5)＝14.6dB－－11.67光源平均輸出功率：-8.0dBm－－-8.08鏈路到接收器的輸入功率：(7－6)＝-19.6dBm－－-19.69光接收器的動態範圍：-12到-25.5dBm-12.0－-25.510接收器的靈敏度(BER＝10-9或S/N)：-23.5dBm－－-23.511尚餘的餘裕(remainingmargin)：(8－10)＝5.8dB－－3.9若有WDM，則每一波長都要算一次22多模光纖的設計•整個鏈路(link)的損失•最大鏈路頻寬(bandwidth)連接器、接續、光纖衰減、光纜彎曲等執行光功率需求(budget)計算頻寬會隨長度增加而降低(脈衝寬化)與光設備屬性及光纖參數有關23多模光纖的設計程序•自光設備廠家取得下列資訊•自光纖安裝計畫決定下列事項建議的光纖直徑－50/125、62.5/125、100/140最大光纖衰減量－dB/km最大光纖頻寬(某波長)－Mhzxkm光纖允許最大之長度及設備最大損失規範總共需要的光纖長度及保留的設計餘裕所需接續/連接器的數量及每個的損失系統中其他組件的光功率損失24多模光纖的設計程序(續)•完成光功率需求(budget)計算•確認剩餘餘裕大於零將數據分別填入表格並依照先前之範例計算「剩餘餘裕(remainingmargin)」若低於零(0)，否則應設法降低整體鏈路損失，或採用更高檔的光設備與組件25單模光纖的設計•整個鏈路(link)的損失•最大鏈路頻寬(bandwidth)連接器、接續、光纖衰減、光纜彎曲、WDM、或其他組件等的損失執行光功率需求(budget)計算單模光纖的頻寬限制最主要的是色散(dispersion)26單模光纖的設計程序•自光設備廠家取得下列資訊•自光纖安裝計畫決定下列事項最大允許光纖損失－多少dB最大極化模態色散(PMD)或不同群的延遲最大色散(單位：ps/nm)及色散損失(dB)總共需要的光纖長度及保留的設計餘裕所需接續/連接器的數量及每個的損失系統中其他組件的光功率損失•完成光功率需求(budget)計算27多模光纖的設計程序(續)•由量測或計算整體鏈路的彩色色散•確認剩餘餘裕大於零若低於零(0)，否則應設法降低整體鏈路損失，或採用更高檔的光設備