光傳輸網路之衰減與色散
最常用於光通訊系統中的峰值波長為780 nm、850 nm、1310 nm、1550 nm與1625 nm。850 nm波段,稱為第一窗口,最初是因為它支援原始發光二極體與偵測技術而被使用。當今1310 nm波段普遍化是因為其損失與色散極低。此外,現今也使用1550 nm波段,可以免除對功率放大器的需求。一般而言,當波長增加時,效能與成本也增加。


多模與單模光纖使用不同型式或尺寸;通常,單模光纖使用9/125 m,而多模使用62.5/125 m或50/125 m。不同尺寸的光纖有不同的光纖損失值(dB/km)。光纖損失主要依工作波長而定,對各種實體尺寸之光纖(例如:9/125 m or 62.5/125 m),實際在1550 nm波長時損失最低,在780 nm波長時損失最高。


國際電信聯合會通信標準部門G.652說明單模光纖具有在波長1310nm零色散特性,最適合使用於1310nm波長區域,但也可用於1550nm波長區域,只是並非最佳化。G.652光纖為目前最廣泛使用,其特性列於表一。


表一    G.652單模光纖的特性

特徵

數值

註解

模場直徑1310 nm

8.6 ~ 9.5 mm

合適的包覆設計使用 10mm,壓縮的包覆設計使用 9mm

包覆直徑

125mm ± 2mm

 

模場直徑 1310mm的同心誤差

不超過 1 mm

 

包覆偏心率

< 2%

 

最大截止波長

1260 or 1270 nm

 

1550-nm有損耗性能

1310 nm充分利用成1550 nm

< 1.0 dB

1550 nm量測,損失增加100匝數,半徑 37.5 mm,有輕微損耗

衰減係數

1310-nm區域小於0.5 dB/km

1500-nm區域小於0.4 dB/km

 

波長色散係數

1300 nm1324 nm之間零色散波長

最大值S0max = -0.093 ps(nm2km) 零色散斜率

1288 ~ 1339 nm

1271 ~ 1360 nm

3.5 ps (nmkm)

5.3 ps (nmkm)

 

偏振模式色散係數

Generally < 0.5 ps/km

一般小於0.5 ps/km

低位元距離產品(低於 10 Gbps/ 400 km) 可以容忍較高的光多模色散係數值沒有損傷


偏振模式色散係數    Generally < 0.5 ps/km


一般小於0.5 ps/km    低位元距離產品(低於10 Gbps/400 km) 可以容忍較高的光多模色散係數值沒有損傷ITU-T G.655(非零色散位移光纖)可以減低非線性的特性,克服因零色散波長移出1550 nm工作視窗所造成的影響。實際的影響是在1550 nm會有較小且有限的波長色散,這樣可以將非線性(如:四波混頻、自相位調製、交叉相位調製)的影響最小化,這種效果在高密度分波多工器中是可見的,而不需要高成本的色散補償,其特性列於表二。非零色散光纖有兩種類型NZD+與NZD-,在此光纖中零色散值在1550 nm波長的前、後都分別下降。


表二    G.655單模光纖的特性

特徵

數值

註解

模場直徑 1550 nm

8~11 μm

模場偏差不超過 ± 10%

包覆直徑

125μm ± 2 μm

 

模場直徑1550 nm的同心誤差

不超過 1μm

 

包覆偏心率

不超過2%

 

光纜截止波長

1480 nm

跨接光纜1480 nm,最差情況下的長度與彎曲:1470 nm

1550-nm彎曲的性能

不超過 0.5 dB

損失增加100匝數,有半徑 37.5 mm的輕微損耗

Attenuation coefficient 衰減係數

< 0.35 dB/km

 

波長色散係數

介於0.1 6.0 ps/nm-km之間

介於1530 nm1565之間

 

偏振模式色散係數

< 0.5 ps/km1/2

對應到 400公里的STM-64,有1 dB的損失



功率計算(Power Calculation)


為了克服光纖的最大衰減,必須依據既定的狀況計算功率預算。此方法論可以適用於所有類型的光纖,以便針對光系統所使用的傳輸距離估算光功率。最重要的是,必須在現場進行量測,以獲得正確的數據。


衰減是當光脈衝透過單模或多模光纖傳播時,信號強度或光功率耗損的一種衡量值。光信號衰減的衡量通常以分貝(decibels)或每公里分貝數(dB/km)來定義。


當使用國際電信聯合會通信標準部門G.652光纖,國際電信聯合會通信標準部門G.957基於長度定義了四種光纖鏈路,如表三所示。


表三    使用G.652光纖之功率預算的摘要

型式

局間

短距

長距

長距

波長

1310 nm

1310 nm

1310 nm

1550 nm

距離

£ 2 km

» 15 km

» 40 km

» 80 km

應用碼

I-1

S-1.1

L-1.1

L-1.2

155Mbps,誤碼率於10-12

-22 dBm

-27 dBm

-27 dBm

-27 dBm

622Mbps,誤碼率於10-12

-22 dBm

-27 dBm

-27 dBm

-27 dBm

2.5Gbps,誤碼率於10-12

-17 dBm

-17 dBm

-26 dBm

-27 dBm

衰減範圍

0 ~ 7 dB

0 ~ 12 dB

10 ~ 28 dB

10 ~ 28 dB

接收餘裕

3 dB

3 dB

4.0 dB

4.8 dB




G.957定義端點S為緊接在發送器連接器CTX之光纖參考點,端點R為在接收器CRX之光纖參考點。這些國際電信聯合會通信標準部門之光纖系統的參考點表示於圖一。為避免接收器飽和,如有需要必須增加衰減器或降低光源輸出。
 
圖一    G.957光纖連接器之參考點


依據每段光纖連接的距離計算功率需求的所有參數詳述如下:


鏈路餘裕可定義為多餘的分貝增加到鏈路功率,可視為安全餘裕,它可以補償可能無法正確預估鏈路之損失,某些主動元件會隨時間性能漸趨劣化之特性(典型為發光二極體),並非所有熔接為極低損耗,鏈路餘裕補償這些差額。對於極長之系統建議有6分貝餘裕;因為每個餘裕的分貝值就代表系統成本,在某些方案中將降低到4.8或3分貝。


國際電信聯合會通信標準部門G.957載明,衰減量規範為假設在最差之條件下,包含熔接、接頭、光衰減器(如果使用的話)以及其他被動光設備,以及任何附加纜線餘裕以允許涵蓋以下因素:
  •     未來纜線結構之修改(附加的熔接、增加纜線長度等)。
  •     光纖纜線因為環境因素產生之性能變化。
  •     包含接頭、光衰減器(如果使用的話)及其他位於端點S與R之被動光元件衰耗等。

色散補償(Dispersion Compensation)



在限制波長色散的系統中,行進脈波的總累積群速色散大於最大可容許色散時,系統會因為大量的傳送符號相互干擾或只是單純的脈波擴散而無法發揮其功能。因此,我們必須在網路中的不同位置上放置色散補償單元。通常,利用高色散光纖,就可以很輕易地補償光纖中的色散。一條長度Li的光纖,有Di ps/nm-km的色散,可以利用另一捲長度Lj、色散參數Dj的光纖來補償,則其滿足了以下方程式的關係。


DiLi + DjLj = 0


這兩項都提供了經過兩條光纖傳送後,脈波可能經歷的累積色散總值。現在主要的目的是保持通訊通道端的總色散儘可能的低。第二條光纖使用具有強色散曲線的高色散光纖。第二條光纖的色散曲線與第一條光纖的色散曲線正好相反,而經過通道的長度,它變成補角,在經過整個通道後,產生幾乎零色散。


配置色散補償光纖的問題是高色散光纖經過的地方必定會產生高損失。色散補償光纖的衰減遠大於一般單模光纖的衰減。與標準1550nm單模光纖的衰減值0.2 dB/km比較起來,色散補償光纖的衰減高約0.5~0.8 dB/km。因此,為確保補償光纖的長度夠小,其色散參數Dj必須是相當大。色散補償光纖通常保留在網路中的單一點,一般是在電信業者的局端,因此,他們在捲繞時會被損傷,造成高彎曲損失。再者,由於正常光纖與色散補償光纖間的耦合差異,會有強烈的不對稱性存在,造成非線性與高插入損失。抑制非線性與降低插入損失是現今持續研究的領域。表四顯示不同種類的光纖在1550 nm工作波長下的正常色散。


表四    一般光纖色散的摘要
光纖類型 1550 nm之一般色散
單模光纖(SMF 17 ps/nm-km
E-Large Effective area fiber (ELEAF) 4 ps/nm-km
TrueWave RS (TW-RS) 4.2 ps/nm-km
色散位移光纖(DSF -0.33 ps/nm-km


兩種技術-預補償與後補償,可以利用任一種方法來補償色散。如同字面上的含意,預補償表示信號在系統中被降低之前所做的色散補償,如圖二所示。這是以色散補償單元預先壓縮脈波的一種技術,它預先處理累積色散的問題。相反地,後補償是利用置於光纖末端的補償設備。在預補償的例子中,我們可以將色散補償單元放置在後端線路放大器之後。具有光纖迴路這樣的單元,其色散曲線正好與傳輸光纖的色散曲線相反。舉例而言,一條傳輸光纖具有16 ps/nm-km的色散參數,則色散補償單元將被假設成具有-50 ps/nm-km的色散曲線。信號經由這樣的光纖捲抽(色散補償單元),脈波會被預補償。相反地,利用後補償技術,色散補償單元模組是放置於前端線路放大器之前,如圖三所示。
 

圖二    前端色散補償之組態
 

圖三    後端色散補償之組態