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1、 光纖光纖通訊導論期末報告通訊導論期末報告 光纖光纖的傳輸損耗的傳輸損耗 陳立言 I.目錄目錄 壹壹.前言前言.1 貳貳.吸收損失吸收損失(ABSORPTION).2 一.本質所引起的吸收 .2 二.雜質所引起的吸收 .3 參參.散射損失散射損失(SCATTERING LOSS).5 肆肆.幾何效應幾何效應(GEOMETRIC EFFECT) .6 伍伍.結論結論.8 陸陸.參考文獻參考文獻.9 II.圖表目錄圖表目錄 圖表 I 過渡金屬離子與水分子吸收光譜圖.3 圖表 II 核蕊中參雜其他雜質所造成的損失光譜.4 圖表 III 玻璃光纖之典型損失因素圖.4 圖表 IV 大彎曲所造成的損失示意
2、圖.7 1 一.前言前言 由於光纖具有傳統電線電纜所沒有的的優點，如：低損耗、高頻寬、 重量輕、不受電磁干擾等特性，因此非常適合作為通訊的傳輸媒介。 但是，早期光纖通訊並不像現在這樣的成熟。事實上，光通訊系統之 所以能夠實用化，半導體製造技術、雷射的發明以及光纖傳輸損失的 降低都佔有極重要的地位。在 1930 年左右，已有科學家利用玻璃纖 維作為導光介質，但當時光纖的傳輸損失高達 1000 分貝/公里以上， 因此當時人們任為玻璃纖維並不適宜用來作為傳送光的波導介質。隨 著科技的進步，1960 年紅寶石雷射以及後續許多半導體雷射的發明， 再度燃起人們利用光來通訊的希望。但是好的光源由於雷射的發明
3、已 經不是問題，如何導引光波卻成為另一需要解決的課題。 西元 1966 年高錕博士提出了一篇有關於光纖中雜質吸收的關鍵 性論文之後，波導介質的問題已不再是問題，光通訊系統至此得以真 正的實現。而光纖的發展也隨著光傳輸損耗因素的研究及光纖製造技 術的日漸成熟而一日千里。目前光纖的損失已由早期每公里上千分貝 (dB)降低至目前的每公里 0.2 分貝。 光纖損失的單位為分貝/公里(dB/km)，其定義如下 10(0) (/)log ( ) P dB km zP z 此處，z 為光進入光纖點與量測點的距離， P(0)為光在進入光纖點所具有的能量， P(z)為光在量測點的能量。 事實上，光纖通訊系統的應
4、用和光纖傳輸損失的降低有著密不可 分的關係。當光纖傳輸損失降低時，相對的表示在同樣距離下，中繼 2 器(repeater)數目的降低。也因此在成本及傳輸品質上能得到較好的結 果。然而，光纖傳輸損失值的大小，與光纖的合成成份、製造方法及光 纖的設計有關，這些因素都會影響到光纖的傳輸損失值。因此我們應 該深入了解這些因素，以免在設計時，因為不當的使用造成傳輸損失 的增加而使得傳輸品質降低。 光纖傳輸損失因素如表一所示，主要是由以下三種主要機制 (mechanism)所造成： (A) 吸收損失， (B) 散射損失， (C) 幾何效應損失(彎曲損失)。 以下貳、參、肆節即針對此三項損失做一探討，在第伍
5、節則針對探討 結果作一結論。 一.吸收損失吸收損失(absorption) 吸收損失主要由三種不同的作用所導致： 一.本質所引起的吸收本質所引起的吸收 縱使製造出再純淨的玻璃光纖，其對於某種波長範圍的光波仍然 存有吸收光線的效應，這將使得光功率會隨傳送距離而衰減。這種吸 收特性常稱為本質吸收(intrinsic absorption)，它是玻璃本身特質所引 起。以電磁頻譜分佈而言，短波長的紫外線(ultraviolet: UV)區域吸收 的能力特別強烈。這種吸收乃是由於強烈的電子以及分子之轉換帶 (transition band)的緣故。它的特徵是：在紫外光區域的吸收達到極大 點，而在可見光區
6、域則逐漸減低。所以，光纖系統應儘量避免使用到 3 紫外光區的頻譜。 對於紅外光區的頻譜範圍的光波，玻璃光纖也會產生類似的吸收 效應。它也是屬於一種玻璃本身的本質吸收。這類吸收的最大頻譜大 約是介於 7m12m 之間。這對於一般光纖系統設計而言，也不常使 用到它。紅外線的衰減乃與化學鍵(如氧-矽鍵)的振動有關。熱能造成 原子的固定移動，促使氧化矽鍵不斷的收縮。此項振動在紅外光頻譜 區有一個共振頻存在。 圖表 I 過渡金屬離子與水分子吸收光譜圖 一.雜質所引起的吸收雜質所引起的吸收 在此所指的雜質包括不純物及添加物。不純物的吸收主要是由於 光纖的玻璃材質中含有過渡金屬離子(如：Fe、Cu、Cr)及
7、水分子，不純 物所造成的吸收和其所含濃度高低有關。濃度愈高吸收的損失值就相 對的愈大。為了能夠得到每公里 20 分貝以下的衰減特性，許多不純 淨的金屬雜質離子必須保持在 10-9比例以下。以目前技術而言，只要 在好的玻離光纖之中，已經很容易便達到以上所要求的純淨度。因此 這項衰減並未帶來太大的影響。 雜質吸收所造成的衰減的主要因素來自於氫氧離子，也就是 OH- 。它是因為氫氧離子伸展振動而造成。而其最重要的吸收頻譜在下列 幾個波長：0.95m、1.23m、1.37m。為了降低氫氧離子吸收的影響， 4 必須在玻離光纖製造過程中，將水分子含量降至 10-7以下，這樣氫氧 離子吸收所造成的衰減才不會
8、帶來太大的影響。 除了過渡金屬離子和氫氧離子的吸收外，有時為了改變光纖的折 射率以改善光纖的傳輸特性，因此常在光纖中參雜其它的雜質(如： GeO2、P2O5、B2O3)，當這些雜質加入核蕊的量增加時，核蕊的折射率 會增加，數值孔徑也隨之增加。 圖表 II 核蕊中參雜其他雜質所造成的損失光譜 但是這種雜質會造成紅外線光域的吸收損失。其損失與波長的關 係如圖二所示。圖三則顯示玻璃光纖在吸收損失中各因素所佔的數值。 由圖中可以看到總損失在 1.55um 時為最小，當波長增加時，紅外光 吸收因素將成為損失的最主要來源。相反的，當波長減少時，則由紫 外光吸收和散射因素主導總損失量的大小。 圖表 III
9、玻璃光纖之典型損失因素圖 5 、.原子缺陷(atomic defects) 原子缺陷主要是由於光纖中原子結構的不完整所導致。 一.散射損失散射損失(scattering loss) 在玻璃光纖製造過程中，當玻璃處於熔融狀態時，分子的運動是隨機 的(random)。當它冷卻後，這個運動現象便停止。但是由於冷卻時分 子之間的距離並不均等，因此造成分子密度分佈在各處都有些微的變 化。除此之外，由於玻璃中擁有許多的氧化物(如：SiO2、GeO2、P2O5) 也造成一些分子鍵結構的變化，於是造成各處的折射率值都有些微的 不同。此種差異造成了散射光線的效應。此項散射稱之為 Rayleigh 散 射效應。它
10、只發生在光波波長大折射率變化的情況下。 Rayleigh 散射一直被相信是在玻璃中要降低衰減的基本限制。如 果只考慮熱變動因素，其損耗係數，scat，可以以下列式子表示： 3 82 4 8 3 scatBfT n p k T 此處：光波長， n：折射率， p：光彈係數(photoelastic coefficient)， 6 T：材料的等溫壓縮率， kB：Boltzmanns 常數， Tf：為玻璃的轉換溫度。 由(2)式可知，此種散射與光波長的四次方成反比。換句話說，光波 愈長散射所造成的損失愈小。 一.幾何效應幾何效應(geometric effect) 當我們在使用光纖導管時若將其彎曲時，
11、它必使得傳輸損失增加。 這類型的損失主要是因為幾何形狀改變所造成，因此歸類成幾何效應 損失。但是一般而言，此類損失都是因為彎曲所造成，因此也稱之為 彎曲損失(bending loss)。基本上，彎曲所造成的損失可以分為兩大類， 分別由不同的效應造成傳送的損失。第一種是大彎曲損失 (macrobending loss)，第二種則是微彎曲損失(microbending loss)。以下 就此兩者的區分及造成的原因來加以說明： 1、大彎曲損失 所謂大彎曲損失指的是其曲率半徑在數公分以上，一般造成大彎 曲損失的因素主要是因為光纖佈放施工不當及光纖接續後將餘長環 繞於接續盒中所造成。由於光纖的彎曲造成中
12、心軸不在同一直線上， 當傳播模態光在核蕊(core)與覆層(cladding)的界面處產生全反射時， 會造成部份光束的入射角小於臨界角，而無法滿足全反射的條件，使 得部份傳播模態光折射入覆層中，造成光功率的損失。圖三為大彎曲 損失的示意圖。一般而言，大彎曲所造成的損失值與曲率半徑的關係 可以下式表示： =Aexp(-BR) 7 其中 A、B 均為常數，R 為彎曲半徑。由式(3)可得知，當半徑愈小時， 則彎曲損失值愈大。相關研究結果顯示，當曲率半徑大於臨界值 Rc 時，則所造成的損失值幾乎可以忽略不計。而 Rc 可以由以下式子概 略得到： 2 1 22 3/2 12 3 4 () c n R n
13、n 圖表 IV 大彎曲所造成的損失示意圖 另外也可以由以下簡單的算法得：只要彎曲的半徑大於織覆直徑 的 100 倍時，彎曲損失幾乎可以忽略不計。 2、微彎曲損失 所謂微彎曲損失指的是其曲率半徑在次毫米以下，一般造成微彎 曲損失的因素主要是由光纖覆層外的保護層所造成。保護層的主要目 的是加強光纖的強度，但是這層保護層也會造成光纖與保護層間不均 勻壓力的存在，特別是當光纖與保護層溫度係數不同時。基本上，微 彎曲所造成的損失，較難以避免。選擇使用溫度係數與光纖材質相近 的被覆材質及使用適當的充膠(jelly)及光纜結構的適當設計，可以儘 量減少因溫度變化或外力對光纖造成微彎曲，進而可以降低微彎曲損
14、失。 8 一.結論結論 由以上探討結果我們可以得到以下幾點結論： (A) 吸收及散射損失的降低必須在光纖製造過程就加以注意， 否則就無法降低。換句話說，當要使用光纖時，事先就必須 評估光纖品質。 (B) 除了光纖品質之外，施工時也必須注意彎曲度不能太大，否 則彎曲損失將造成傳輸品質的大幅降低。 9 一.參考文獻參考文獻 1. 吳耀東 著，光纖通訊系統-原理與應用，全欣資訊圖書，1994 2. 林愷 著，光纖通訊系統，全華圖書，1980 3. 孫清華 譯，光纖通訊，全華圖書，1998 4. 譚繼山 譯，雷射與光纖通訊，亞太圖書出版社，1986 5. 吳耀東 著，光纖原理與應用，全華圖書，1997 6. John Gowar, Optical Communication Systems, Prentice Hall, London, 2nd ed., 1993. 7. Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, McGraw Hill, New York, 3rd ed., 2000. 索引索引 光纖.0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 彎曲損失.2, 6, 7, 8