光纤通讯基础简介(上)

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0.2~0.5dB，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(1~500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(1~20km)的MAN以至于长距离(60~600km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λ为其波长，如图三所示。

光速在真空中传递速率为3×108m/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λ/4或λ/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Jones’s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Poincaré 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=N error/N correct)，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CA TV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。