光纖、dB、衰減及測量單位簡介

簡介

本文件是與光纖技術相關之部分公式和重要資訊的快速參考。本文件內容著重在分貝 (dB)、分貝毫瓦 (dBm)、衰減及測量上並提供光纖相關簡介。

必要條件

需求

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採用元件

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慣例

如需文件慣例的詳細資訊，請參閱思科技術提示慣例。

什麼是分貝？

分貝 (dB) 是用來表示訊號強度之相對差距的單位。分貝是以兩個訊號之功率比的基底 10 對數表示，如下所示：

dB = 10 x Log₁₀ (P1/P2)

其中 Log₁₀ 是基底 10 對數，而 P1 和 P2 是要比較的功率。

附註：Log₁₀ 與 Neparian Logarithm（Ln 或 LN）基底 e 對數不同。

您也可以使用 dB 表示訊號振幅。功率與訊號振幅的平方成正比。因此，dB 可表示為：

dB = 20 x Log₁₀ (V1/V2)

其中 V1 和 V2 是要比較的振幅。

1 貝爾（目前不使用）= Log₁₀ (P1/P2)

1 分貝 (dB) = 1 貝爾 / 10 = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

dBr = dB（相對）= dB = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

基底 10 對數規則

• Log₁₀ (AxB) = Log₁₀ (A) + Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (A/B) = Log₁₀ (A) - Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (1/A) = - Log₁₀ (A)

• Log₁₀ (0,01) = - Log₁₀ (100) = -2

• Log₁₀ (0,1) = - Log₁₀(10) = - 1

• Log₁₀ (1) = 0

• Log₁₀ (2) = 0,3

• Log₁₀ (4) = 0,6

• Log₁₀ (10) = 1

• Log₁₀ (20) = 1,3

  Log₁₀ (2 x 10) = Log₁₀ (2) + Log₁₀ (10) = 1 + 0,3

• Log₁₀ (100) = 2

• Log₁₀ (1000) = 3

• Log₁₀ (10000) = 4

dB

此表列出對數和 dB（分貝）功率比：

功率比	dB = 10 x Log10（功率比）
AxB	x dB = 10 x Log10(A) + 10 x Log10(B)
A/B	x dB = 10 x Log10(A) - 10 x Log10(B)
1/A	x dB = + 10 x Log10 (1/A) = - 10 x Log10 (A)
0,01	- 20 dB = - 10 x Log10(100)
0,1	- 10 dB = 10 x Log10 (1)
1	0 dB = 10 x Log10 (1)
2	3 dB = 10 x Log10 (2)
4	6 dB = 10 x Log10 (4)
10	10 dB = 10 x Log10 (10)
20	13 dB = 10 x (Log10 (10) + Log10 (2)
100	20 dB = 10 x Log10 (100)
1000	30 dB = 10 x Log10 (1000)
10000	40 dB = 10 x Log10 (10000)

分貝（以毫瓦為單位）（dBm）

dBm = dB 毫瓦 = 10 x Log₁₀（功率 [以 mW 為單位]/1 mW）

強化	比	dBm = 10 x Log10（功率 [以 mW 為單位]/1 mW）
1 mW	1 mW/1mW=1	0 dBm = 10 x Log10 (1)
2 mW	2 mW/1mW=2	3 dBm = 10 x Log10 (2)
4 mW	4 mW/1mW=4	6 dBm = 10 x Log10 (4)
10 mW	10 mW/1mW=10	10 dBm = 10 x Log10 (10)
0,1 W	100 mW/1mW=100	20 dBm = 10 x Log10 (100)
1 W	1000 mW/1mW=1000	30 dBm = 10 x Log10 (1000)
10 W	10000mW/1mW=10000	40 dBm = 10 x Log10 (10000)

以一瓦特為基準的分貝 (dBW)

dBW = dB 瓦特 = 10 x Log10 （功率 [以 W 為單位]/1 W）

強化	比	dBm = 10 x Log10（功率 [以 mW 為單位]/1 mW）
1 W	1 W / 1 W = 1	0 dBW = 10 x Log10 (1)
2 W	2 W / 1 W = 2	3 dBW = 10 x Log10 (2)
4 W	4 W / 1 W = 4	6 dBW = 10 x Log10 (4)
10 W	10 W / 1 W = 10	10 dBW = 10 x Log10 (10)
100 mW	0,1 W / 1 W = 0,1	-10 dBW = -10 x Log10 (10)
10 mW	0,01 W / 1 W = 1/100	-20 dBW = -10 x Log10 (100)
1 mW	0,001W/1W=1/1000	-30 dBW = -10 x Log10 (1000)

功率/電壓增益

此表比較功率和電壓增益：

dB	功率比	電壓比	dB	功率比	電壓比
0	1,00	1,00	10	10,00	3,16
1	1,26	1,12	11	12,59	3,55
2	1,58	1,26	12	15,85	3,98
3	2,00	1,41	13	19,95	4,47
4	2,51	1,58	14	25,12	5,01
5	3,16	1,78	15	31,62	5,62
6	3,98	2,00	16	39,81	6,31
7	5,01	2,24	17	50,12	7,08
8	6,31	2,51	18	63,10	7,94
9	7,94	2,82	19	79,43	8,91
10	10,00	3,16	20	100,00	10,00

有了此資訊，您就可以定義衰減和增益的公式：

衰減 (dB) = 10 x Log₁₀（P 輸入/P 輸出）= 20 x Log₁₀（V 輸入/V 輸出）

增益 (dB) = 10 x Log₁₀（P 輸出/P 輸入）= 20 x Log₁₀（V 輸出/V 輸入）

光纖結構

光纖是承載資訊的媒介。光纖是由矽玻璃製成，並包含由包覆層包圍的核心。光纖的中心部分稱為核心，折射率為 N1。包圍核心之包覆層具有較低的折射率 N2。當光進入光纖時，包覆層會將光侷限在光纖核心中，接著光會藉由核心與包覆層邊界之間的內部反射沿著光纖行進。

圖 1：光纖結構

光纖類型

單模 (SM) 和多模 (MM) 光纖為現今製造與銷售的主流光纖。圖 2 提供這兩種光纖類型的相關資訊。

圖 2：SM 和 MM 光纖

波長

少量的光注入光纖。這屬於電磁波譜中的可見波長（400 nm 至 700 nm）和近紅外線波長（700 nm 至 1700 nm）（請參閱圖 3）。

圖 3：電磁波譜

此表列出您可以用於光纖傳輸且光損耗程度較低的四個特殊波長：

Windows	波長	損失
第 1 個波長	850 nm	3 dB/km
第 2 個波長	1310nm	0.4dB/km
第 3 個波長	1550 nm（C 頻帶）	0.2 dB/km
第 4 個波長	1625 nm（L 頻帶）	0.2 dB/km

光功率

若要測量光損耗，您可以使用兩個單位，即 dBm 和 dB。dBm 是以毫瓦表示的實際功率位準，dB（分貝）是功率之間的差距。

圖 4：如何測量光功率

如果光輸入功率為 P1 (dBm)，光輸出功率為 P2 (dBm)，則光損耗為 P1 - P2 dB。若要查看輸入與輸出之間損耗多少功率，請參閱此功率轉換表中的 dB 值：

dB	功率輸占功率輸入的百分比	功率損耗百分比	備註
1	79%	21%	-
2	63%	37%	-
3	50%	50%	1/2 功率
4	40%	60%	-
5	32%	68%	-
6	25%	75%	1/4 功率
7	20%	80%	1/5 功率
8	16%	84%	1/6 功率
9	12%	88%	1/8 功率
10	10%	90%	1/10 功率
11	8%	92%	1/12 功率
12	6.3%	93.7%	1/16 功率
13	5%	95%	1/20 功率
14	4%	96%	1/25 功率
15	3.2%	96.8%	1/30 功率

例如，當進入光纖的直線 (LD) 光輸入為 0 dBm，且輸出功率為 -15 dBm 時，光纖的光損耗計算方式如下：

Input   Output    Optical Loss 
0dBm -  (-15dBm)  =15dB 

在功率轉換表中，15 dB 為光損耗相當於 96.8% 的光功率損失。因此，當其通過光纖時，僅剩下 3.2% 的光功率。

瞭解插入損耗

在任何光纖互連中，都會發生一些損耗。連接器或接合處的插入損耗是您將裝置插入系統時看到的功率差距。例如，取一段光纖並測量通過光纖的光功率。記下讀數 (P1)。現在，將光纖切成兩半，端接光纖並將其連接在一起，然後重新測量功率。記下第二個讀數 (P2)。第一個讀數 (P1) 與第二個讀數 (P2) 之間的差距就是插入損耗，或是您將連接器插入線路時發生的光功率損失。測量方式如下：

IL (dB) = 10 Log₁₀ (P2 / P1)

您必須瞭解以下兩個有關插入損耗的重要事項：

• 指定的插入損耗適用於相同的光纖。

  如果傳輸資料的側邊核心直徑（或 NA）大於接收資料之光纖的 NA，則會有額外的損耗。

  Ldia = 10 Log₁₀ (diar/diat)²

  LNA = 10 Log₁₀ (NAr/NAt)²

  其中：

  • Ldia = 損耗直徑

  • diar = 直徑接收

  • diat = 直徑傳輸

  • LNA = 光纖損耗

  Fresnel 反射可能會發生額外的損耗。當兩段光纖因分開而導致折射率不連續時，就會發生這種情況。如果是由氣隙分開的玻璃光纖，則 Fresnel 反射為 0.32 dB。

• 損耗取決於發射狀況。

  插入損耗取決於發射狀況，以及連接之兩段光纖中的接收狀況。在短程發射中，您可以使用包覆層和核心所承載的光能量讓光纖滿溢。此過多的能量會隨著距離損耗，直到光纖達到所謂的平衡模式態分布 (EMD) 的狀態為止。在長程發射中，光纖已達到 EMD，因此過多的能量已移除，且不會出現在連接器上。

  如果光穿過互連的光纖對光纖連接點，則可以使用額外的包覆層模式再次讓光纖滿溢。這些能量會快速損耗。這是短程接收的狀況。如果您測量短程接收光纖的功率輸出，您可以看到額外的能量。但是，額外的能量不會傳播得很遠。因此，讀數並不正確。相同地，如果接收光纖的長度夠長，可以達到 EMD，則插入損耗讀數可能會較高，不過卻可反映實際的應用狀況。

  您可以輕鬆模擬 EMD（長程發射和接收）。對此，您必須將光纖包裹在心軸上五次。如此可以去除包覆層模式。

計算功率預算

您可以粗略預估連結功率預算。對此，您必須對每個光纖對光纖連接允許 0.75 dB，並假設光纖損耗與光纖長度成正比。

對於使用三個跳線面板和 62.5/125 光纖的 100 公尺傳輸距離來說，其損耗為 3.5 dB/km，而總損耗則為 2.6 dB

光纖：3.5 dB/km = 每 100 公尺 0.35 dB

跳線面板 1 = 0.75 dB

跳線面板 2 = 0.75 dB

跳線面板 3 = 0.75 dB

總計 = 2.6 dB

測得的損耗通常較少。例如，AMP SC 連接器的平均插入損耗為 0.3 dB。在此案例中，連結損耗僅為 1.4 dB。無論您是以 10 Mbps 執行乙太網路或以 155 Mbps 執行 ATM，損耗均相同。

光時域反射技術 (OTDR) 是熱門的光纖系統認證方法。OTDR 可將光注入光纖，然後以圖表顯示偵測到的背面反射光結果。OTDR 可測量反射光耗用的傳輸時間，以計算至不同事件的距離。視覺化顯示可讓您判斷每單位長度的損耗、評估接合處與連接器及故障位置。OTDR 可放大特定位置，提供連結部分的特寫圖片。

雖然您可以使用功率計和訊號注入器進行許多連結認證和評估，但 OTDR 提供強大的診斷工具，可讓您對連結具有全面性的瞭解。不過 OTDR 需要更多訓練和一些技能才能解譯顯示畫面。

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