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光纖佈鑬及熔接測試工法

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2010年5月17日星期一

光纖之信號損失與失真











光纖之損失原因



光纖之信號損失與失真

談到光纖傳輸光信號時,首先須先談光纖信號之損失與失真原因,光纖之材料可分為無機材料及有機材料兩種,有機材料如 PMMA、PC、PS或PCF 塑膠,而PMMA透明性最佳故使用率最高,但其損失較無機材料大,塑膠光纖在1500nm的波長傳輸損失為150dB/km,而石英玻璃光纖之損失為0.2dB/km,但價格較低,大都用於近距離之通訊,而無機材料中,目前以石英玻璃之損失為最低,並且又具有高強度及良好的安定性,其主要成份為二氧化矽 (SiO2) ,當為了增大折射率時,會添加二氧化鍺、氧化鋁、二氧化、氧化磷等材料,當為了減少其折射率時,則考慮加入三氧化二硼及氟等材料。另外,塑膠光纖目前耐熱性遠不及石英玻璃光纖,在80℃以上的溫度時傳輸損失增加。

現依下列各項來討論:



1.材料的吸收損失:



材料的吸收損失原因首推光纖內含有過渡金屬元素 ( 如 Sc, Ti, V, Cr, Mn......等 ) ,這類金屬在光譜範圍有廣大的吸收帶。另外所含的氫氧基離子及材料的缺陷(如光纖製造時內部產生的小氣泡),亦產生吸收損失,這些因素在製造技術上已經有長足的改進了。












圖光纖之一般選擇1300nm或1500nm波長來當作理想光源



2.材料的散射損失:

由於材料之密度或組成不均皆產生 Rayleigh 散射(scattering),其損失值與波長四次方成反比,如圖11-2-2,因此波長越長,損失越小,因此理想中一般選擇1300nm或1500nm波長來當作光源,除了 Rayleigh 散射外,尚有其他的散射行為,但影響不如 Rayleigh 散射來得大。



3.機械變形所引起之損失:



當機械變形所引起的微曲及彎曲皆造成光纖傳送信號的損失,所謂微曲損失是指當光纖纏繞在一圓筒狀上,在這圓筒表面的不平坦會引起微曲現象,其所受到的不均勻之側面壓力造成在軸方向產生微末級的彎曲,因此而造成損失的情形。所謂彎曲損失則是指在某處之入射角比臨界角小時,光向外面折射而造成之損失。



4. 光纖信號之色散與失真



光纖信號之失真主要是因為色散(dispersion)所引起,亦即光纖對不同的光波長其折射率也不同,對光源而言,典型的紅外線發光二極體 IR LED波長880nm,其波長頻寬為40 nm,亦即波長範圍從860 nm到900nm,至於雷射二極體波長頻寬範圍只有2 nm,色散問題要小的多。如圖,光波長越長,光纖之材料折射率越小,這也造成了如圖 之結果。



圖 光波長越長,光纖之材料折射率越小















光纖信號之色散失真



中華民國 99.05.18


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光纖感測器概說

光纖感測器概說




所謂的光纖感測器即是利用光纖來傳輸量測的信號,正常情況下光纖忠實的傳送量測信號,由於光纖特性容易受待測環境因素變化影響而有所改變,有時我們也可運用這個特點,以此調制光纖量測的信號。光纖感測器有如下的幾個優點:

1. 靈敏度高。

2. 不受電磁雜訊之干擾,信號傳輸迅速。

3. 體積小、重量輕、壽命長、價格低廉。

4. 適於特殊環境之工作。具有絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等優點。

5. 光學佈置之幾何形狀彈性大,可依環境要求調整。



光纖感測器信號的檢出有光強度型及相位干涉型兩種方式。光強度型其主要原理是利用幾何物理量的變化調制信號強弱,以用之於諸如壓力、應力、加速度、聲波、轉速、溫度、磁場、電壓、電場等等檢測領域。雖然靈敏度較相位干涉式低,但其結構及原理十分簡單,操作方便,並且可以採用較低廉的光纖為其優點。


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光纖通訊的應用


在光傳輸不到30年的歷史上,發展初期主要是以電信傳輸為主,不過由於技術的精進與不同需求的增加,近10年光纖應用發展也逐漸擴增到光區域網路及有線電視光傳輸市場,因為光通訊的傳輸必須是相當精確,所以連帶地也帶動了光通訊量測市場的興起。

光纖通訊系統的應用目前大致可分為三大類:電信光傳輸方面、光纖區域網路方面、有線電視方面,底下就一一加以探討。



1.電信光傳輸方面

電信光傳輸設備為光通訊產業的最大應用者

在最早期的電信架構上,是由一中央交換機(Centralized Switch,或稱交換所)與各用戶(End User)直接連線,稱為中央交換網路(見圖二),單一線路只服務一個最終用戶,但由於各用戶間所處的距離長短不一,為避免長距離線路侷限於只被一位使用者佔用,造成通訊設備因無效率的運用而形成的浪費,所以階層網路(Hierarchical Network)也就衍生而成。階層網路的架構(見圖三),原則上在地方是由『交換所』及用戶所組成的中央交換網路負責,各中央交換網路再以頻寬較大的『幹線』(Carrier Trunks)相互連接,並用多工(Multiplexing)的方式以增加幹線的傳輸容量,現在使用較多的多工技術是以『分時多工』(Time Division Multiplexing,TDM)為主;在階層網路下,由於地區性的通訊交由各地區的中央交換網路處理,而長途通訊才會經由多工機再透過幹線來傳輸,因此地區性通訊與長途通訊的資源使用都可得到較有效率的分配,並且能夠獲得較大的傳輸容量。














圖二:中央交換網路架構(Centralized Switching)






  











圖三:階層網路架構(Hierarchical Network)







光纖傳輸的頻寬與速度遠優於銅質電纜



在過去的電信架構中,由於單一的語音傳輸管道(voice channel)只需要64Kbps的頻寬即可,所以在各地區交換所間的幹線大多只使用可容納較高傳輸量的銅質電纜作為連接的媒介,例如DS3(或稱T3,44.736Mbps)及E3(34.368Mbps)…等,不過隨著電信傳輸量的增加,過去銅質幹線的頻寬已逐漸不敷使用,因此擁有較高傳輸容量的光纜也就開始運用在幹線上,甚至已經開始取代銅質電纜;在傳統的光纖系統中,光纖的傳輸速度都是銅質電纜的數倍以上,例如在同步光纖網路系統/同步數位階層(SONET/SDH)中,較低光纖傳輸速率的OC-3速率都可達155Mbps,速度將近銅纜E3的5倍,如果以較高光纖傳輸速率的OC-192(10Gbps)來說,其速度更是接近E3的300倍(見表三) 。










表三、銅纜與光纖傳輸速度比較



隨著光纖技術的應用增加,SONET/SDH的光纖傳輸協定標準也就被制訂出來,SONET(Synchronous Optical Network,同步光纖網路)與SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步數位階層)的基本架構都是以同步傳送模式作為基礎,只是SONET是由美國訂定的光纖傳輸標準(美規),SDH是ITU(International Telecommunication Union)根據SONET為藍本,之後再訂定改編適用於美國以外的全球同步傳輸標準,此標準除了適用於光纖網路外,也適用於其他以『同步傳輸』為標準的傳輸方式。目前在全球許多國家的長途骨幹網路上都已普遍採用SONET/SDH的光纖網路,大多以提供2.5Gbps、5Gbps、或10Gbps的系統為主,在中繼幹線上則是OC-3及OC-12為多數。



ATM架構可使光纖網路更具有彈性與擴充性



不過因為SONET/SDH等同步傳輸技術具有部分先天上的限制及數據資訊傳輸的增加,ATM網路傳輸將會成為未來另一重要的骨幹傳輸架構,未來新一代的骨幹網路許多都會採用ATM架構。ATM(Asynchronous Transfer Mode,非同步傳輸模式)正如其名為一種非同步的傳輸方式,最主要特別的地方即是運用許多固定長度的訊框(Fixed-length Cells) (53 bytes)進行資訊傳輸,此運送方式可提供有時間先後性的資料(如語音及影像)進行高速(2.5Gbps以上)傳輸,並且可以達到『品質服務』(Quality of Service,QoS)的保證。由於ATM具有網路建構彈性、未來設備擴充性、及傳輸速度…等特性,所以ATM的崛起也將助益於光纖網路的發展與盛行,能使光纖傳輸發揮更大的效用。WDM與DWDM等多工技術的出現,可以使光纖傳輸更有效率,大大地提高光纖通訊的應用範圍。

雖然SONET/SDH的光纖傳輸方式為目前較普及的傳輸方式,不過由於SONET架構上的光纖資訊都是只能以單頻率(也就是單色)的方式傳輸,在目前頻寬需求殷切的時代來說似乎較不符合效益,所以也就有了以不同波長作為多工的『分波多工』(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技術,WDM的簡單原理就是利用一條光纖傳輸兩個或以上不同波長(顏色)的光訊號以達到增加容量或頻寬的多工效果;最近幾年,光纖多工的技術又更進一步達成了『高密度分波多工』(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM),所謂DWDM與WDM原理類似,只不過DWDM可以高密度的方法讓八個以上不同波長的光資訊同時透過一條光纖傳輸,以現今的技術最多可將約80筆的資料封包多工放在單一光纖上傳輸,以充分達到寬頻的效果,並且大大地降低光纖通訊的傳輸成本;如果以DWDM的技術再配合摻鉺光纖放大器(EDFA)的運用,現在已成為有線通訊增加傳輸容量的最佳解決方式。

2.光纖區域網路方面



人們對於頻寬的需求帶動了光纖區域網路的發展



如前所述,由於價格高昂及需求的問題,所以早期光纖發展僅限於長途通訊幹線上的運用,不過近幾年在通訊量的快速增加及網際網路的爆炸性成長下,光纖網路的應用已從過去的長途運輸(Long Haul Transport)的骨幹網路擴展到大城市運輸(Metro Transport)的區幹線,未來一、二年更會因為Datacom流量的增加、技術的進步、及光通訊成本的下降,而使光通訊的應用再度向接取端傳輸(Edge Transport)的中繼幹線(如Fiber to the Building…等)發展。

雖然光纖產品的售價快速下降,但由於光纖產品價格要降到一般消費者可以接受的範圍及實際工程架設的困難,所以在短期內光纖到桌(Fiber to the Desk,FTTD)應仍是不多見,不過在光纖區域網路的骨幹上卻是未來一年內即可見到。目前在光纖區域網路的主流是Fast Ethernet(100Mbps以上)及Gigabit Ethernet(1Gbps以上),由於光區域網路在成本的考量上比電信骨幹網路較為重要,所以其光源大多使用成本低廉的LED及新發展的VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、垂直共振腔表面放射雷射),將增加光纖區域網路的普及性。

目前區域光纖網路的普及僅限於骨幹上,不過根據評估此市場就不遜於電信骨幹網路的市場,如果未來因光纖產品價格的下降而可達到FTTD,則相關的主、被動元件市場的龐大將是無可言語。



3.有線電視光傳輸方面



有線電視的雙向傳輸帶動了HFC的興起,也增加了對於光纖光纜的需求



早期有線電視傳輸的介質是採用同軸電纜(Coaxial Cable)傳輸,整個同軸電纜所運用的頻帶也只有從50MHz到550MHz,大約可放送100個頻道,其他剩餘的頻帶卻因沒有使用而形成浪費,之後因為HFC(Hybrid Fiber Coaxial、光纖同軸電纜)架構及雙向傳輸的出現,因此有線電視系統也可運用在數據資料的傳輸。HFC主要是用光纖將訊號從頭端(Head-end)傳送到在用戶附近的光投落點(Optical Network Unit、ONU),之後再用同軸電纜以串接的方式將高品質的射頻訊號送到500~1000個用戶處。

HFC用50~550MHz的頻帶下載電視節目,另運用550~750MHz的頻帶以調變的方式進行數據、影像、或電話…等數位的下載服務,此外再用5~35MHz的頻帶作為訊號的上行使用。

由於這兩年運用同軸電纜作雙向傳輸的市場呈現倍數的成長,過去舊型的傳統線纜架構都必須重新鋪設HFC,所以有線電視傳輸市場也將成為光纖傳輸設備與零組件快速成長的另一動力。


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光纖通訊的優點

光纖通訊的優點


(一) 長距離通信,減低成本:

1.譬如1.3微米波長之光纖用於傳輸時,每公里約有0.4~0.5dB的損失;

而1.5微米之光纖每公里約有0.2~0.25dB之低傳輸損失。

2.和傳統的銅線電纜傳輸系統比較,光纖通信使傳輸的中繼距離增長至

數十公里,並可大幅度地減少中繼器之數目,降低通信系統的成本。

3. 舉例來說:若從台北至基隆,距離不過二十多公里;若採用光纖連接,

則基隆地區就不須設大型機房。由於光纖傳輸損失低,增長中繼區間

的傳輸,減少系統成本及複雜性,更適用於長途傳輸。

(二) 光纖質細、輕並富可繞性,容易集結成束,故光纖集結成光纜埋設時,

可節省管道空間。有效提高管道使用率,配置空間的經濟性高,適用於

飛行器,衛星及船艦。

(三) 光纖具有極大的通信頻寬,頻寬可達1~2GHz以上。一般普通同軸電

纜的頻寬約330MHz~550MHz,相較之下,光纖有著極高之載訊容量。

(四) 光纖材料一般皆為石英玻璃,其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長之特

性,加上光纖有極佳的柔軟性及應變性,良好的保護外被及抗張物質,

使光纖傳輸可節省經營成本。

(五) 由於光纖介質作成如石英玻璃,即為良好絕緣體,不會受到電磁波等之

干擾,適用於容易受雷擊或高電場區,可大大提高通信的傳真度。

(六) 保密性高 光信號不會從光纖中幅射出去,適用於軍事,銀行連線及電

腦網路。



由於光纖系統具有上述諸多之優點,使得各國皆看好光纖通信之前景,並已投入大量財力、人力來研究開發。隨著資訊時代的來臨,容量大、低損失、可靠度佳的通信網路是不可或缺的,而光纖通信系統是最佳的選擇。因此,可預期在不久的將來,大部份的銅線電纜將會被光纖取而代之。


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光纖通訊系統的類別

光纖通訊系統的類別


整體光纖通訊產業包括的範圍相當廣,從局端設備、傳輸設備、傳輸設備中的零組件、及用戶端的網路設備…等都有光纖通訊的專有產品,雖然產品相當繁雜,不過以目前已可商業化量產的產品來分類,其零組件大致可粗分為三大類:光纖及用光纖做成的光纜、光主動元件、及光被動元件等。



所謂光纖,目前仍是以石英玻璃所製成的細微纖維為最主要產品,最近也出現以塑膠為材料的塑膠光纖;數蕊光纖外加包覆材料合併成的纜線則稱為光纜;而光主動元件則包括提供光源的光發送器、接收光源的光接收器、及光放大器…等;在光被動元件方面所包含的產品更是繁多,例如最常見的光纖連接器、光調變器、光隔絕器、光纖耦合器、光衰減器…等。(詳見表一)
















表一:光纖通訊系統的類別




以下將較重要的幾種零件加以解說:

 光纖:

1. 光纖為玻璃SiO2、塑膠等材質抽絲而成的光傳輸媒介,由於光波可透過光纖傳輸數據等資訊,具有傳輸頻帶寬、通訊量大、損耗低、不受電磁干擾、重量輕等特性。

2. 光纖構造方面,內層包含一根極細的玻璃柱,稱為軸芯(core),外圈再以一圈稱為被覆層(cladding)的玻璃包圍,由於被覆層玻璃的折射率較軸芯玻璃柱小,軸芯中傳導的光線如果折射至被覆層,將以全反射的方式折回軸芯內,光波傳導的效率也提高許多。因此,光纖由內而外分為三部分: 1、軸蕊部份 (Core) :即光纖中傳遞光信號的部份。 2、被覆層部份 (Cladding) :被覆在軸蕊外圍,為使光線能在核心中傳送。3、保護層 (Jacket): 被覆層外殼,可防止外力損害光纖之被覆層及軸蕊。

3. 光纖實際應用時,可集合多束光纖,再以保護層方式加強外殼防護,即成為所謂的光纜。由於光纖可使用的頻寬極大,現階段使用範圍約在565 Mbps上下,未來透過頻寬切割及分波多工方式,傳輸頻寬可望更進一步擴大

4. 光纖類型方面:可概分為單膜、多膜以及特殊用光纖,其中單模光纖因只傳輸一個模態,適用於大容量長距離的光纖通訊,在骨幹光纖佈建之時需求量最大,歷年所佔產值比重約八成,多膜光纖蕊徑較大,可同時傳輸多種模態,傳輸性能雖然較差,然因適用於區域光纖網路佈建使用,未來成長率尤勝單模光纖。特殊光纖則包括塑膠光纖等其他光纖,市場用量相對較小。



 光纜

1. 光纜則是將光纖集結後加上防水、被覆以及支撐介質,以達到維持原有光纖的傳輸特性,便於施工及保護光纖的功能。一般光纜的結構可分為光纖緩衝層、纜心以及抗張力體、被覆以及防水層等部分。而依其構造差異,可略分為 (1)、鬆帶型光纜(2)、溝槽型光纜(3)、溝槽型帶狀光纜(4)、帶狀光纖光纜四類(5)、光/電混合纜(6)、室內光纜(7)、通訊光纜等幾大類

2. 國內目前真正可自製光纖的廠商並不多,多半由國外買進光纖,加上封管加工製造成光纜。國外光纖廠商以康寧、朗訊、Alcatel、住友等為產業的領導廠商。


 光主動元件:

在整個光纖通訊系統架構當中,光纖主動元件可謂扮演了「承先啟後」的重要角色,因為光纖主動元件的功能主要有進行光電(或電光)轉換,與光訊號放大等等。



透過電光轉換,可將原本使用電氣訊號傳播資訊的過程,自由地改以光訊號進行之,俟抵達目的地後再進行光電轉換,將光訊號轉換回原先的電氣訊號,再由其他電子設備應用,故使得光纖通訊得以實現。此外,在傳播的過程當中,訊號不免會受到環境以及傳播介質的影響而隨著傳播距離增長而衰減,為了維持資訊的正確性,故在傳播過程當中,必須使用放大器將已衰減的訊號加強後再繼續傳送。正由於光纖主動元件具有轉換與放大等等的功能,使得資訊傳播得以使用較具效率的光纖為之,故光纖主動元件的確具有「承先啟後」的功用。



甲、 光收發模組:

i. 光收發模組係整合光傳送器(transmitter) 及光接收器(receiver)兩大功能,而形成的單一光訊號收發模組。因此,可將其區分為通訊用光源(發射器)及檢光器兩大部分,其中通訊用光源部分主要採用LED及LD兩種光源,LED單價雖然相對便宜,然而 LD因光源性質較佳,加上新開發的面射型雷射(VCSEL)光源性能優越,採用LD的光收發模組比重有逐年增加趨勢。

ii. 而檢光器部分尤為光收發模組最重要的關鍵組件,需具備高靈敏度、高頻寬、高可靠度以及低成本、易製造要求。目前檢光器所採用的元件,主要分為 PIN二極體 及APD二極體兩類,其中又以PIN二極體生產成本較低,所佔比重較大。

iii. 未來光纖網路傳輸速率要求將不斷提升,光源及檢光器性能的要求將成為光網路發展的重要關鍵。



乙、光放大器:

i. 過去,在光放大器仍未問世之前,必須先將光訊號還原回電子訊號,使用電子訊號放大器放大後,再轉換為光訊號傳送。這樣的過程不但繁複,而且電子訊號放大器的適用傳輸速率與頻寬固定,若光纖通訊系統傳輸速度提升下則必須全部更新,如此使得設備成本大增,然而光放大器則無此困擾。近期高密度分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)系統的問世,使得資料傳輸速率大增,但之所以能夠普及,正是拜光放大器去除傳統光電轉換的障礙所賜。除了作為傳輸過程中的中繼器外,光放大器亦可加在發送器中以提高輸出功率,或者用於接收器中作為前級放大以提高靈敏度。

ii. 光放大器是在不經過光電轉換的狀況下,直接將光訊號加以放大的光主動元件,由於長距離的光纖通訊將面臨嚴重的光信號衰減問題,因此光纖網路中每隔適當的距離即需以中繼器或光放大器將訊號加以放大。而光放大器因不需經過光電轉換,在網路升級或調整格式時,便不需像中繼器一般加以更換。

iii. 光放大器主要可分為三大類:(1)、光纖放大器 (OFA);(2)、半導體光放大器(SOA);以及(3)、拉曼放大器(RA)三大類。光纖放大器乃利用摻稀土離子玻璃的增益特性,在光纖中直接將信號放大;半導體光放大器原理則與雷射二極體近似,可在直流偏壓下將入射於活性層內的光放大;拉曼放大器則是利用光與光纖原子間的非 線性交互作用,以產生的Stoke line達到放大功能。目前技術較成熟的光放大器有摻鉺光纖放大器(EDFA)、摻鐠光纖放大器(PDFA)、半導體光放大器三種。



 光被動元件:

光纖被動元件的主要功能是對光訊號作接續、分歧、濾波、衰減或隔離,故此類元件包括連接器、耦合器、分波多工器(Wavelength-Division Multiplexer)、光開關、濾波器、隔離器與衰減器等。在整個光纖通訊系統佈建時,整體通訊網路的連結全有賴光纖被動元件來達成,而被動元件的良窳與通訊品質息息相關。舉例來說,良好的被動元件可以使連結時的插入損失(insertion loss)盡可能降低,使得訊號較為清晰,並可確保線路連結的穩定,不致滑落或鬆動而造成通訊不良,因此被動元件可說是光纖通訊的基礎。



甲、 光連接器:

i. 光纖連接器是一種裝置在光纖終端的機械裝置,可用來作為光纖連接時光路徑的接續零件。依其接續的光纖種類不同,光纖連接器可概括分為單模光纖連接器及多模光纖連接器,而若再依半永久性及永久性光纖接續的用途不同,尚可在區分為光機械式接合以及機器熔接兩類接續方式。

ii. 一般衡量光纖連接器性能好壞與否,光訊號傳遞在經過兩個相連的連接器時,其能量耗損所得出的插入損失以及由連接器端面反射計算的反射損失兩項數據將是主要判斷標準。而未來符合線路施工及終端使用便利性的光纖連結器,在光纖網路鋪設人工成本偏高因素下,將是主要成長的產品。〈見表二〉










表二:各種環境對連接器的損耗要求

損耗程度 使用環境

0.2dB以下 長程通訊系統連接用

02.-0.75dB 建築物或工廠內系統連接用

1-3dB 在以成本為優先考量下,連接應用產品用



乙、 光纖耦合器:

i. 光纖耦合器一般又可稱為分歧器,主要用來將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中,由於光訊號傳遞並不像銅導線裡電訊號一般的容易分歧,因此欲將光訊號分散至不同管線時,即需要光纖耦合器加以分光。

ii. 因此,光纖耦合器廣泛應用於用戶迴路系統、區域網路、有線電視網路系統。組態方面一般可分為雙分支、樹 /星狀及分波多工三類;而依製造方法不同,亦可分為熔接式光纖燒結、微光學及平面波導式三類光纖耦合器。

iii. 其中微光學乃採用漸變折射率透鏡棒將光纖傳導的光擴大平行化後,再用半透明的反射鏡將光分成兩部分,分別用透鏡棒聚焦後耦合入光纖中。光纖燒結則是將兩條光纖併在一起熔融拉伸,使核蕊因聚合力而結合,達到光耦合作用,為目前成本最低、可靠性最高且國內業者生產比率最高的耦合器產品。平面波導方法則是採用火焰水解沈積法和光刻蝕,將波導結構製作在矽晶片上,以達到分光耦合作用,國外業者以該項技術生產耦合器比重較高。



丙、 分波多工器:

i. 分波多工乃是在同一條光纖內同時傳輸數個不同波長的光信號,以倍增光纖傳輸容量所開發的分工技術,由於分波多工可結合EDFA等光訊號放大技術,充分發揮光傳輸的高頻寬特性,將數百個不同波長的光信號同時傳播在同一光纖中,而依其原理開發出來的分波多工器(WDM: Wavelength Division Multiplexing)連帶也成為近年最熱門的光纖被動元件。

ii. 分波多工器為雙向性的被動元件,其多工性能可將不同波長光訊號組合入一條光纖中,而其解多工性能則可將一條光纖中傳輸的不同波長光訊號分離出來。



丁、 光纖光柵:

光纖光柵是一門新的技術,其所應用的範圍相當的廣,因此不只限用於光纖通訊上,所以在以後的市場上、應用上將有相當看好的市場;光纖光柵其工作原理來自纖核內Bragg光柵之反射機制,以現在最廣泛及最經濟之製成為相位光罩法,製作方法是將光纖剝除被覆後,置於高壓氫氣罐內一段時間後取出,再置於相位光罩(Phase Mask)下,再以準分子雷射(Excimer Laser)曝光約十分鐘即可成為一個反射某一個波長的反射器,而反射波長依相位光罩而定;而所需之主要設備為KrF準分子雷射、相位光罩以及相關光學器具;下圖一便是製做圖示。













圖一:光柵光纖的製作圖示





光纖光柵的應用相當的廣泛,可用於

• 可調波長式雷射(Tunable Laser)

• EDFA的濾波器(增益修飾元件)

• 智慧型結構(Smart Structure)

• 波長選擇器

• WDM濾波模組的製造

• 帶抑濾波器

• 搭配光纖耦合器和光纖旋波器可做出塞取多工器(OADM)

• 啁啾相位光罩(Chirped Phase Mask)製作啁啾光柵(Chirped Fiber Grating)當做色散補償器(Dispersion Compensator)

 因此光纖光柵是目前光通訊廠商相當重要的研發重點

戊、 光開關:

光開關為全光網路中,光纖訊號交互連結的主要元件,其作用主要在於將一光路徑建立或中斷,以決定光信號傳送方向。



己、 光衰減器:

i. 光衰減器可用於吸收或反射光訊號的餘量,或用於系統損耗的評估與測試。由於光訊號經過各項元件的傳輸,均將引發光源的頻率漂移及線路雜訊,因此,透過光衰減器以吸收相關雜訊將是確保高速光通訊品質的重要元件。

ii. 光衰減器目前已廣泛應用在光通訊市場,其產量僅次於連接器、耦合器,市場需求仍穩定成長。



庚、 光隔離器:

光隔離器是一種兩端口的光被動元件,主要功能在於使光訊號在傳輸方向衰減很小,而相反方向的光則不會被反射。主要應用在光發射模組、光放大器以及在高傳輸系統中,用以降低雜訊影響。



辛、高密度分波多工器

高密度分波多工器(Dense Wavelength-Division Multiplexer)為近期通訊上的重大發明,其工作原理與分波多工器相同,但其工作於同一波長頻帶,且不同波長間的間隔低於1nm,正因為其波長間隔甚短,故所使用光源頻寬必須很窄,例如DFB雷射,因為其頻寬最窄可達0.2nm,故相當適合使用。此外由於在解多工部份所使用的濾波器精密度也必須相當高,才能確保輸出端訊號的純淨。DWDM主要使用1550nm波長範圍光源,不同波長間間隔僅約0.8nm,故其光源多採用頻寬窄的DFB雷射,而濾波器的特性更決定DWDM的好壞。


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光纖之構造與分類

光纖之構造與分類




光纖依其構造可分為:





圖 光纖之構造












1.核心部份 (Core) :

即光纖中傳遞光信號的部份,一般的光纖蕊心材料有石英玻璃與塑膠(Plastic Optic Fiber-POF),塑膠光纖的價格約石英光纖的十分之一,石英光纖的核心口徑(core diameter)較小,石英單模光纖約5~12μm,石英多模光纖約50~150μm,而塑膠光纖的核心口徑約1000μm。

2.外殼部份 (Cladding) :即被覆在核心外圍的部份,光線入射二不同介質時發生反射及折射現象,利用全反射,我們可很輕易的使用光纖來改變光的行進方向,且在過程中,光的損耗最小。為使光線能在核心中傳送,因此光線需依全反射方式行進,所以核心部份之折射率須比外殼之折射率大。除此之外,如果我們希望光線能在核心入射外殼介質時發生全反射現象,那麼光線在入射進光纖時其入射角亦不能太大,如圖11-1-3-2,假設在界面一光線入射光纖入射角 m 時,在入射外殼介質時發生全反射之臨界現象,亦即在界面二光線折射角為90度,而在界面二光線入射角為c,而在界面一光線入射角如大於 m 時,光線將無法在在核心中傳送。

設核心之折射率 n1

外殼之折射率 n2

在界面一光線折射角 2





圖 在入射外殼介質時發生全反射之臨界現象





在界面一,依折射定律可得

n1 sin2 = sin m

在界面二,依折射定律可得

n2 sin90 = n1 sinc

又,2 = 90-c

可得

n2= n1 cos2 , cos2 = n2 / n1

sin2 = ( 1- cos22 )1/2

=( n12- n22 )1/2 / n1

sinm = n1 sin2 =( n12- n22 )1/2

通常定義數值孔徑 (numerical aperture) NA=( n1- n2 )1/2



3.保護層 (Jacket) 保護在外殼周圍,以防止損害光纖之外殼及核心。






圖 光纖折射率分佈情形



光纖依其折射率分佈情形與特性可分為:

1.階梯型折射率分佈之多模光纖:或稱梯射型光纖,其光纖核心與外殼之折射率呈突然階梯形之變化。階梯形多模光纖通常沿其中心軸平行前進的光線與彎曲前進的光纖到達時間會有差異,如圖11-1-3-4,傳遞的信號經過長距離傳輸或有扭曲變形失真(distortion),也有信號拉寬的現象,波形的分散失真大,因此無法傳遞量測信號中相位的訊息。如果採用多模光纖作為光纖感測,那麼一般只是作亮度(振幅)方面的調制。多模光纖之直徑通常自 50 至 1000μ m 大小,價格便宜易於使用,唯其傳遞信號的頻寬較窄,無法擔任長距離傳輸工作。

階梯型折射率分佈之多模光纖之模態數M可由下式求得:

M=

其中,核心之折射率 n1

外殼之折射率 n2

核心之半徑 a

光之波長 















圖 階梯形多模光纖傳遞的信號經過長距離傳輸或有扭曲變形失真



由上是可知,要減少階梯型折射率分佈之多模光纖之模態數M,可降低NA或 n12- n2 2之值,但此舉將影響耦合進入光纖之光量,其次是增加光之波長 ,或是減少核心之半徑 a,亦即形成所謂的單模光纖。



2.連續型折射率分佈之多模光纖:

通常連續型折射率分佈的光纖(或稱斜射型光纖)的響應頻率可高達 800MHz/km ,而價格較昂,因此適合一些較高級的場合使用。 連續型折射率分佈之光纖其折射率分佈情形為: 離中心越近,其折射率越小。因此光線在內部行走的路線為彎曲形狀 。光線在光纖內部傳輸所行走的路徑其彎曲曲率與折射率分佈之梯度有關。塑膠光纖有一些是採用階梯型折射率分佈,稱為SI-POF,有一些是使用連續型折射率分佈稱為GI-POF,可達成Gb/s級的傳輸速率,不僅有高的傳輸頻寬,在價格上又相當低廉,因此於短程通訊方面潛力很大。





3.單模光纖:單模光纖其光纖核心與外殼之折射率呈階梯形之變化,核心直徑特別小 (5-12μm) ,只容許一束光束進入核心中,因此能夠光信號的相位訊息,唯其核心甚小,因此在光束耦合 (coupling) 方面較為困擾。










光纖之損失原因

中華民國 99.05.18

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光纖製作與連接

光纜製作與連接



光纜的製作過程大略可分為四個步驟:纖維製造、蕊線製造、集中、外皮。製造纖維時,為要控制折射率,常加入磷、鍺等氧化物在石英系纖維中,以化學氣相沉積法做成預型體之後加熱至攝氏2000度以上,軟化後拉長再用抽絲法製造出芯蕊,抽絲速度,每分約十到數十公尺。。直徑2~3公分、長數十公尺的預型體,可製成數十公里的直徑約0.12mm光纖維。抽絲後的纖維用雙層塑膠薄膜被覆保護,在二層被覆之間加入聚樹脂當緩衝層,一次被覆材料為環氧數脂、矽、氨基甲酸乙脂等,二次被覆則為尼龍、聚乙烯等,外皮用聚乙烯或PVC等材料。而塑膠光纖係以高純度樹脂為纖蕊材,外皮再以特殊氟素 樹脂覆蓋而成。



石英玻璃光纖的斷續並不如電線那麼容易,光纖之連接方式有二,一是活動式連接,即是可取下再裝上的連接方式,二是永久性連接 (joint或 splice,如圖 13-2-2-1)。無論是那一種連接方式,最好在兩纖維之核心部份必須沒有間隙,並且應沿軸心方向垂直連接,其尺寸精度要求甚高,當考慮將光纖切斷時,亦應使用專用之光纖切線器及光纖剝皮器來工作。













圖 永久性光纖連接



永久性連接大致可分為4種:

1.放電熔接法

利用高電壓放電,使石英熔解接合。接合時兩端的石英接點必須要正面對應耦合。

2.毛細管法

用一大小直徑比光纖大的中空管包緊要接合的兩條光纖,再加以黏合劑固定。中空管的直徑大小剛好讓光纖能套入,若太大則兩光纖耦合不良。

3.V型槽法

利用V型的凹槽把兩段光纖放入,再用黏合劑固定壓合。

4.三桿法

先用三根桿子把兩段光纖夾緊再加上透管套入,並在透管外加熱使其緊縮固定。















圖 光纖連接器



連接器連接多應用在連接器或檢光器等場合,如連接器連接兩段光纖時,在必要的時候還可以拆開來校正或保養。使用連接器連結時,應注意將纖維中心固定在插頭中央部位,以形成最佳的耦合狀態。



光纖在二極體雷射光入射時,常有反射光點反射回到二極體雷射的共振腔中,造成雷射光輸出的雜訊,這種情形可利用光隔離接頭 (optically isolated pigtail) 來改善,雷射二極體與光纖接頭套裝在光隔離接頭即能工作。至於塑膠光纖在融接或對光都比石英玻璃光纖來得容易,因此在光發射接收時,對光時間較短、困難度較低。另外,塑膠光纖的核心口徑比石英光纖大,因此光纖端的連接夾治具設計與製作較簡單,相對的成本也較低。



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光纖光纜介紹

光纖光纜介紹







充膠單模光纜

低損失,傳輸容量大,外徑小、重量輕,易於施工,適用於大容量通訊傳輸系統。







無金屬單模光纜

低損失,傳輸容量大,內無金屬導體,不受電磁感應干擾,適用於高壓電力線平行區間之通訊傳輸。








溝槽型單模光纜

低損失,傳輸容量大,外徑小,重量輕,易於施工,適用於市內中繼和用戶迴路大容量通訊傳輸系統。






充膠鎧裝海底單模光纜

低損失,傳輸容量大,適用於海底光纖傳輸系統。















海底光纜

 優良之光學特性及機械特性,可用於淺海區域之佈放。

 高抗張強度設計。有單鎧或雙鎧結構可供選擇以適用不同需要。

 沒有銅導體之設計。

 溝槽型中心體結構設計,海纜單長可達15公里。

   

海 纜 結 構

單 鎧













雙 鎧














機 械 及 環 境 特 性

項目 單鎧 雙鎧

海纜外徑 (mm) 45 69

海纜空氣中重量 (kg/km)  5,300 13,700

允許最大張力 (N)  40,000 100,000

允許最小彎曲半徑 (mm) 30倍光纜外徑

工作及儲存溫度 -30℃ ~ +60℃



訂購記號編碼說明:

















高密度多工示意架構圖











 
 
 
 
 
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光纖通訊元件

光纖通訊元件


光纖通訊裝置包含光電轉換的介面、光纖通訊發射端零組件、接收端元件、量測網路品質的光時域反射器(OTDR-Optical Time Domain Reflector)、光纖監視系統、光纖融接機與光纖切割器等等。光纖通訊零組件一般依運作型式可分兩大類:主動元件與被動元件。國內光纖通訊產業的一開始著重於製造光纜、光連接器、光預型體與抽絲,而慢慢步入主動元件如光收發模組與光纖放大器之領域。



光纖通訊主被動元件

主動元件( active component)指能做能量形式轉換的元件,即我們所見的二極體、電晶體、真空管、POWER IC、電視用CRT、發光二極體顯示器、液晶顯示器、電漿顯示器PDP之類的元件,具有信號轉換或放大的功能,光纖通訊主動元件可從事電轉換光、光轉換電或將光放大之工作,例如光發射器、光接收器、光放大器,一般有類比和數位兩種不同的設計。





圖 發光二極體







通信用的發光二極體的鏡片一般作為聚焦的用途,可以使上下左右方向的視角變成適當的入射角,如圖,但兩側鏡壁之反射光,會造成兩側光場形成無效的圓形突出部分。






圖 發光二極體的發光角度








發光二極體的光場如橢圓形狀,其發光角度,如圖 是根據光場中一半最大能量值所有個點形成的封包線,再找出對封包線中最長之剖線,再由中心點對封包線中最長之剖線端點作連線,由此求出其發光角度,半導體雷射亦援用此定義,有所謂「一半最大能量值之全寬」Full Width at Half Maximum ( FWHM)來定義半導體雷射之光束直徑,FWHM是雷射光束中,二分之一最高亮度處至最高亮度處距離的兩倍,因此要求得FWHM必須先找出整個雷射光束中最亮的位置,然後往右掃描,直到找到二分之一亮度處並記錄此處的位置,使用相同的方法往左掃描,並記錄此處的位置,將此兩位置相減,再計算出水平向的FWHM。同樣的的方法往上下掃描,亦可找到垂直向的FWHM。





圖 發光二極體的響應









通信用的發光二極體(LED)的響應,可靠性要高,同時光耦合進入纖維的比率要大。半導體雷射其送進光纖的光功率和調變速度較大,所以適用於高速傳送。為增加發光二極體的光耦合進入光纖的百分比,要選擇發光角度小的產品,一般而言點光源發光二極體耦合百分比比大面型光源來得好(耦合狀況如圖3-3-1-4所示)。



圖 發光二極體與光纖耦合











一般電子被動元件如繞線式可變電阻器、碳質膜型電阻器、金屬膜固定電阻、晶粒電阻器、排列電阻器、紙介質等。而光纖通訊被動元件(passive component)係指只表現出靜態特性的元件,即不需要外加能量即可產生作用的元件。也就是說,純粹讓光通過、分開、轉向或衰減之傳輸,而不涉及光能和電能的轉換與放大。 光纖被動元件大致可分為:傳輸光能的光纖與光纜、接續光能的光纖連接器與跳接線、衰減光能的光纖衰減器、反射光能的光反射器、分光的分光器/光纖耦合器、光纖波長多工器、隔絕反射光的光隔絕器、改變光路的光循環器與光纖切換器、以及起偏的偏光器等。


中華民國 99.05.17


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光纖通訊的原理

光纖通訊的原理




當我們用無線電傳送資訊時,必須先化成一系列的電訊號,由發射站轉換成為「無線電訊號(Radio Signal)」,而接收站接到這些訊號後,再將其轉換成電訊號,之後再解碼轉換成我們需要的資訊。同理,光也可以藉著閃爍光源,如訊號閃光燈的開或關而產生一系列的圖形,我們稱之為「光訊號」。光比電有更大的傳輸資訊能力,也就是說光可以斷成為更短的脈衝,因此在相同的時間裏可形成更高密度且資訊豐富的圖形。在這種速率下,藉著合併圖形單元成為一個個的「堆積(Stack)」,就可在同一條纖維中,同時傳送很多不同的資訊。就如同汽車從交流道進入高速公路一樣,不會撞到其它汽車。這也就是為何「光纖」能同時容納很多資訊在其中傳輸的原因。


中華民國 99.05.17

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光纖通訊的歷史

光纖通訊的歷史

近代的「光纖通訊」的發展始於1960年代,而使得「光纖」成為現在及未來通訊的主力乃是基於兩個事件的激發:首先是西元1960年美國物理學家梅門(Theodore Harold Maiman)成功地使紅寶石振盪產生「雷射光」。第二則為西元1966年,科學家高錕(Charles Kao)及George A. Hockham,他們預測所製作的「光纖」,能夠讓「光波」在其中傳輸一公里,仍有原來1﹪的光能量,那麼光纖就能夠像電纜一般,來作為傳輸工具。因為在當時,即使是最好的光纖,光波在其中傳輸20公尺就已使光能量降低至原來能量的1﹪。

到了西元1970年,貝爾實驗室成功製造出可於常溫下連續振盪之半導體雷射(Semi-Conductor-Laser),及康寧玻璃工廠(Corning Glass Work)製造出每公里衰滅小於20分貝的低損失石英質(Silica)光纖後,「光纖」技術一日千里。

今日,由於光電科技的發展,每公里衰滅低於1分貝,傳輸頻寬高於800MHZ的光電纜已可大量生產,再配合「高階數位多工」(High Order Digital Multiplex)技術的發展以及高性能「光電元件」(Opto-Electronic Device)的開發,每秒傳播速度高達九千萬「位元(bit)」,甚至到每秒四億「位元」之高速大容量光通訊系統,目前已達實用化的階段。


中華民國 99.05.17

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光纖通訊概說

光纖通訊概說




一般通訊媒介可按其速度的不同劃分為三個頻寬,亦即窄頻傳輸(資料載輸速度介於45至150 bps之間,如電報及電傳打字之類的通訊即是。)、語言級傳輸(資料載輸速度介於300至9600 bps之間,如一般的電話線通訊)與寬頻傳輸(資料載輸速度19200 bps至500000 bps或以上),對於寬頻傳輸而言,其通訊媒介常用同軸電纜、光纖纜及微波等方式,而光纖在通信上的應用更是居於明日之星的地位,一根光纜中的其中一條光纖即可以取代一萬條以上的電話線,光纖實在是傳遞信號極其優良的工具,藉著如髮般纖細的光蕊,可以完成大量而且多重的通信工作。






圖 光導管訊號傳遞



人類很早就知道用光來傳送信號,而用電通信事實上不過百年來歷史,1870年John Tyndal用水柱作為光介質的實驗, 也有人提出光導管的概念(圖11-1-1),是在鐵管內來傳送光訊號,考慮到光訊號散射的問題,因此每隔一段距離便在鐵管用一個透鏡把散開的光束再行集中以減少光訊號的散失衰減(如圖11-1-1所示)。1930年開始有人嘗試採用玻璃纖維來傳送光。華裔科學家高錕博士於 1966年提出光纖通信的理念,隨後美國康寧公司於1970年完成每公里傳輸信號之損失小於 20 dB 的光纖; 美國電報電話公司貝爾實驗室於1974年發表化學氣相沉積法 (MCVD) 之光纖製 造技術,於是商用的光纖通訊系統乃於 1980 年開始小規模測試,三年後各國競相採用,為了迎接資訊時代的來臨,世界上各大電話公司都積極擴建光纖通訊網路,目前,光訊號的傳輸一般已改用光纖電纜的技術。光纖技術可應用在遠距離、高多工性的網路訊號或電信訊號。至此,光訊號的傳送品質及可傳送的有效距離之整體效能以大大提高。目前我國亦在長途電信通路舖設光纖,普及程度雖只限於主幹線網路,但光纖的價格越來越低廉,光纖通訊零組件與施工的成本大為降低,所以未來全島光纖化、光纖饋線網路(Fiber To The Feeder-FTTF),光纖至里鄰(Fiber To The Neighborhood-FTTN)、光纖到大樓(Fiber To The Building-FTTB)、光纖到桌上(Fiber To The Desktop-FTTD)、光纖到家(FTTH-Fiber To The Home)、隨選視訊,亦即將光纖直接舖設到每一個用戶的家裡,同時也是多媒體推廣至用戶的最佳方式,這將是一個可以預見到的,光纖傳輸的遠景可以想像將是非常璀璨的。

至於光纖在有線電視網路上最常採用“混合式光纖同軸網路”(HFC-Hybrid Fiber Coaxial),利用光纖從同軸電纜頭端傳輸高品質的訊號到光節點或分配中心。混合式光纖同軸網路結合了光纖及同軸的特性,在光節點上利用光數據機將光訊號轉換成電訊號,然後經短距離的同軸樹狀網路,分配給個別用戶;同軸網路同時也收集個別用戶的回傳訊號,回傳至頭端再將電訊號轉回成光訊號,利用雷射發訊機輸出。

中華民國 99.05.17

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