來看，當光波長為 1550 nm 附近時，正好座落於大氣的無吸收區域(Absorption Free)[1]，在 1520 nm 及 1600 nm 的波長時，大氣吸收的損耗更小於 0.2 dB/km[2]，由於對吸收量影響甚小的優點，再加上 1550 σ定義為粒子的尺寸參數(Size Parameter)，r 為粒子的半徑，λ為所傳輸的光波長。
另外對於不同的尺寸參數，我們可由下列圖 1 來表示[3]：
圖 1、不同的尺寸參數與散射效應之關係圖。
由圖 1 可得知，依照不同的大氣分子可對應至不同種類的散射，其中當大氣分子小於所傳輸之光波長 時，所產生雷利散射的影響可小於 1 dB/km。而當粒子大小等同於光波長(如霧跟霾)，此時依照米氏散 射的分析，在金氏模型(Kim Model)的近似下，可使用能見度來推估其損耗(1.2)[3]。
q
其中λ為所傳送之波長，Cn是折射係數(Refractive Index)，l 則是所傳輸的距離。
由此我們得到以傳輸光波長採用 1550 nm 的光源且傳輸距離約為 785 m 的條件下，其損耗約落在 4 dB/km 到 10 dB/km 之間。
除了考慮大氣分子對於無線光通訊的影響之外。在我們實際的應用上，對於連接鹿林天文台與東 埔山莊的有線光纖傳輸路徑也要進行分析測試，因山上氣候條件變化較大，對於在不同溫度下的影響，
我們可使用電子恆溫箱來模擬不同的溫度條件下，對於訊號傳輸的影響，詳細的量測架構圖如圖 2 所 示，在此量測架構中，我們使用一捆長度為 4 km 的標準單模光纖來量測其結果，首先使用訊號產生器 產生一頻率為 100 MHz 的方波並載送於雷射上，讓調變過後之光源分成兩路，分別進入擺放恆溫箱之 光纖及一擺放於室溫下的光纖，最後在經由接收端將兩者之訊號呈現於示波器上來比較彼此的差異。
其結果可呈現在圖 3。
圖 2、量測光纖對於溫度影響之實驗架構圖。
圖 3、溫度對於光纖傳輸的影響。
由圖 3 我們可以得知，當溫度變化為 2 度時，於 4 km 光纖內訊號延遲量約為 1 ns，這是由於溫度造成 玻璃材質的光纖熱漲冷縮再加上應力效應而影響到訊號傳輸的時間延遲。這對於將來在山區量測有線 光通訊傳輸時，往往從傍晚至凌晨的溫度變化也會達到甚至超過 2 度以上的變化，這些都將成為之後
我們實際在山區量測訊號時的重要考量因素之一。
本次實驗我們採用 8 組分佈式反饋雷射(Distributed Feedback Laser，DFB Laser)做為訊號傳輸用之 光源，其波長座落於 1537.34 nm 到 1542.82 nm，通道間隔為 0.8 nm 已符合密集分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)的規範。每一路的光源均經過極化控制器來穩定其極化方向 以利接下來的訊號調變。最後再使用陣列波導光柵(Array Waveguide Grating，AWG)進行訊號的多工處 理。我們使用馬赫-任德調變器(Mach-Zehnder Modulator)對多工後之訊號進行調變已模擬各個用戶分別 傳送資料的情形，載送的訊號則為虛擬隨機信號產生器(Pseudo-Random Pattern Generator)所產生的 NRZ(Non-Return to Zero)訊號，之後將調變過後的光經過 10 公里之單模光纖，利用光纖的色散原理 (Fiber Dispersion)讓每個通道之訊號可視為彼此獨立之訊號。之後進入一摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)進行放大，最後透過一直徑為 5 cm 的透鏡將光傳送至大氣中。實驗架構圖如圖 4 所示。
接收端部分則由一直徑為 15 cm 的透鏡將接收到的光聚焦到多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)進行耦 合，再將多模光纖轉接至單模光纖後，進入摻鉺光纖放大器將訊號放大後，再進入陣列波導光柵進行 解多工。解多工後進入可調式衰減器，此裝置是為了量測不同大小的光功率下，其錯誤率之表現。最 後將光進入 PIN 光檢測器中進行光電轉換，利用誤碼測量儀量測其錯誤率。發射與接端之架構可由圖 5 與圖 6 所示。
圖 5、傳送端。
圖 6、接收端。
在接收端的設計部分，為了有較好的接收功率，我們使用 15 cm 的透鏡聚焦，並用直徑為 62.5 m 的多模光纖耦合，耦合的損耗約為 3 dB。由於之後的儀器均使用單模光纖做為傳送，故需要將多模光 纖轉接至單模光纖，而此過程會有高達 12 dB 的損耗。但由於透鏡聚焦的點直徑(約為 45.4 m)的遠大 於單模光纖的直徑(9 m)，使得使用單模光纖耦光相對困難，因此使用多模光纖來進行耦合。
本次實驗選在臺灣科技大學的電資大樓頂樓以及臺灣大學的博理館頂樓，其直線距離約為 785 公 尺。實驗前期皆會先使用可見光雷射(紅光)來進行光路的調整，已確保光路對準時的效率與準確度。相 關實驗數據可由表 1.1 所示：
表 1.1 實驗相關參數。
傳送波長 1537.34 nm ~ 1542.82 nm
傳送端總功率 15 dBm
距離 785 m
傳輸損耗 (天氣良好時) 約 7 dBm (含玻璃損耗)
接收端耦合損失 3 dBm
多模光纖轉單模光纖損失 12 dBm
接收端功率 -7 ~ -9 dBm
我們分別量測載送 2.5 Gb/s 及 10 Gb/s 的訊號並量測長時間下的訊號錯誤率為何，首先先量測載送 2.5 Gb/s 的訊號的誤碼率，如圖 7(a)所示，我們量測當訊號速率為 2.5 Gb/s 時，其一整天下來的表現由 圖中可以發現，除了發生 error burst 的點數外(推估是由於頂樓強風的影響而造成接收訊號之晃動的情 形)，其餘皆可達到誤碼率小於 10-11，所以我們可以得到當天氣晴朗時，2.5 Gb/s 的無線光通訊傳輸是 一種非常可靠的傳輸系統。
圖 7、載送(a) 2.5 Gb/s 與(b) 10 Gb/s 訊號之誤碼率量測圖。
另外量測當傳輸速率為 10 Gb/s 的情況下，其結果呈現在圖 7(b)。此次量測在開始後的第二到第三 個小時間，開始降下累積雨量約 3.5 mm 的降雨量，我們可以發現誤碼率從原本開始的 10-7~10-8下降至 10-6的等級，而且接著下來均維持小於每小時 1 mm 的降雨量，而系統的誤碼率則可維持在 10-7此一等 級徘徊。最後，當量測時間為第二十至二十一小時時，累積雨量達到每小時約 5 mm 的降雨量，此時 的誤碼率變提高至 10-5~10-6。若依照此一趨勢去推估，倘若降雨量達到氣象局所定義的大雨 15 mm/hr 時，此時的 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統必定會受到一定程度的阻礙。另外由圖 8 可以看出，無線光通 訊系統在 785 m 的傳輸距離且 2.5 Gb/s 的傳輸速率下，依然能保持良好的誤碼率。然而 10 Gb/s 的傳輸 系統在遇到天候不佳的情況發生時，誤碼率變提高至無法提供一穩定的傳輸品質，此時若能搭配適時 降低傳輸速率以求穩定的連結，勢必能提高 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統的穩定度。
(a) (b)
圖 8、誤碼率量測圖。
在依照第一次實驗所面臨的一些問題及對應的方法，如：(1)傳輸系統架構易受強風所影響，需加 強系統架構的穩定度。(2)微調載送於馬赫-任德調變器調變訊號之電壓位準與訊號強度。依照之前所面 臨的問題做了相對應的調整後，我們又再次量測 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統，本次的相關的量測參數 如表 1.2 所示：
表 1.2 第二次實驗相關參數。
傳送波長 1537.18 nm ~ 1542.64 nm
傳送端總功率 12 dBm
距離 785 m
傳輸損耗 (天氣良好時) 約 6 dBm (含玻璃損耗)
接收端耦合損失 3 dBm
多模光纖轉單模光纖損失 12 dBm
接收端功率 -8 ~ -10 dBm
本次量測其間並無任何降雨的情形發生，此時的誤碼率皆可達到 error free 的情形，由此我們可以 得知 10 Gb/s 無線光通訊傳輸系統在無嚴重的氣候條件影響下，均可以表現穩定的傳輸品質，其測試結 果如圖 9 所示：
圖 9、第二次載送 10 Gb/s 訊號之誤碼率量測圖。
綜合有關此一系統的量測結果，我們可以證明無線光通訊傳輸系統可提供一高速(10 Gb/s)的傳輸 速率，若搭配在不同的氣候條件下，有系統的調整傳輸速率已保持接收與發射端的連結，讓無線光通 訊傳輸在點對點傳輸上佔有一定的地位。
另外在我們量測的過程中，若遇到累積降雨量達到 2 mm/hr 且能見度約為 3 km 時，我們可觀察到 接收光功率的變化上，從天氣良好的 -7 dBm 下降至 -11 dBm，此時因天候因素造成的損耗約為 4 dB，
與之前在此條件下的通道模型推估得到約為 2.7 dB 的衰減相去不遠，證明此通道模型可在將來的實驗 上提供快速預估通道損耗的指標之一。
3.實驗量測系統 – 山上單向戶外無線光通訊傳輸實測
在校園內成功測試無線光傳輸系統之後，我們配合總計畫之星光量測系統，在中央大學鹿林天文 台與東埔山莊之間的無線通道作測試。因為電源供給的關係，在此測試系統之發射端與接收端皆位於 鹿林天文台，而在東埔山莊僅放置一 10 吋平面鏡作為反射光訊號之用，故於實測時，訊號將從鹿林天 文台三樓之天文望遠鏡室發射往東埔山莊方向，再經由東埔山莊之 10 吋平面鏡將訊號反射回鹿林天文 台一樓外的空地作接收，如此一來，整體光傳輸通道長度約為 4302 公尺。於鹿林天文台與東埔山莊之 間的無線光通道為一良好的測試環境，其原因有二，一為要找尋如此長且乾淨之無線光通道來測試，
實在不容易；另一原因為山上之氣候條件變化較大，我們即可利用此機會測試在不同氣候條件下之光 訊號傳輸狀況。
此測試系統之傳輸通道距離非常長，共有 4302 公尺，故一些使用元件的精度便顯得相當重要。在 此將此測試系統之各種元件分別簡介如下：
(1.)光訊號發射端
此模組之架構如圖 10 所示。由圖中可看出，本架構包含一個可雙點微調的光纖夾取機構，其下有 一可調整其焦點位置的高精度線性微調機構，而在平板支架的另外一端，有可微調俯仰角及旋轉方位 角的兩組高精度機構，其上有一準直透鏡，可將光纖出口之光束轉為平行光發射出去。
圖 10、用於無線傳輸之光訊號發射端。
為了方便使用紅光來作對準之用，本準直透鏡採用了 635 nm 紅光與 1550 nm 紅外光共焦點的設 計。以 1550 nm 的光而言，焦距為 189.14 mm，而以 635 nm 紅光而言，焦距則為 189.29 mm。其焦距 僅相差 0.15 mm 並不會對兩種光源之準直性造成太大的影響。而此準直透鏡的鏡面直徑為 2 吋，換算
為了方便使用紅光來作對準之用，本準直透鏡採用了 635 nm 紅光與 1550 nm 紅外光共焦點的設 計。以 1550 nm 的光而言，焦距為 189.14 mm，而以 635 nm 紅光而言，焦距則為 189.29 mm。其焦距 僅相差 0.15 mm 並不會對兩種光源之準直性造成太大的影響。而此準直透鏡的鏡面直徑為 2 吋，換算