光纖通訊

百科解釋

目錄·應(yīng)用
·光纖通訊的歷史
·核心技術(shù)
·應(yīng)用極限
·與傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)的比較
·現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

光纖常被電話公司用于傳遞電話、因特網(wǎng)，或是有線電視的訊號，有時候利用一條光纖就可以同時傳遞上述的所有訊號。與傳統(tǒng)的銅線相比，光纖的訊號衰減（attenuation）與遭受干擾（interference）的情形都改善很多，特別是長距離以及大量傳輸?shù)氖褂脠龊现校饫w的優(yōu)勢更為明顯。然而，在城市之間利用光纖的通訊基礎(chǔ)建設(shè)（infrastructure）通常施工難度以及材料成本難以控制，完工后的系統(tǒng)維運(yùn)復(fù)雜度與成本也居高不下。因此，早期光纖通訊系統(tǒng)多半應(yīng)用在長途的通訊需求中，這樣才能讓光纖的優(yōu)勢徹底發(fā)揮，并且抑制住不斷增加的成本。
從2000年光通訊（optical communication）市場崩潰后，光纖通訊的成本也不斷下探，目前已經(jīng)和銅纜為骨干的通訊系統(tǒng)不相上下。

對于光纖通訊產(chǎn)業(yè)而言，1990年光放大器（optical amplifier）正式進(jìn)入商業(yè)市場的應(yīng)用后，很多超長距離的光纖通訊才得以真正實現(xiàn)，例如越洋的海底電纜。到了2002年時，越洋海底電纜的總長已經(jīng)超過250000公里，每秒能攜帶的資料量超過2.56Tb，而且根據(jù)電信業(yè)者的統(tǒng)計，這些數(shù)據(jù)從2002年后仍然不斷的大幅成長中。

光纖通訊的歷史

核心技術(shù)

現(xiàn)代的光纖通訊系統(tǒng)多半包括一個發(fā)射器，將電訊號轉(zhuǎn)換成光訊號，再透過光纖將光訊號傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建筑物。系統(tǒng)中還包括數(shù)種光放大器，以及一個光接收器將光訊號轉(zhuǎn)換回電訊號。在光纖通訊系統(tǒng)中傳遞的多半是數(shù)位訊號，來源包括電腦、電話系統(tǒng)，或是有線電視系統(tǒng)。

發(fā)射器
在光纖通訊系統(tǒng)中通常作為光源的半導(dǎo)體元件是發(fā)光二極管（light-emitting diode, LED）或是雷射二極管（laser diode）。LED與雷射二極管的主要差異在于前者所發(fā)出的光為非同調(diào)性（noncoherent），而后者則為同調(diào)性（coherent）的光。使用半導(dǎo)體作為光源的好處是體積小、發(fā)光效率高、可靠度佳，以及可以將波長最佳化，更重要的是半導(dǎo)體光源可以在高頻操作下直接調(diào)變，非常適合光纖通訊系統(tǒng)的需求。

LED借著電激發(fā)光（electroluminescence）的原理發(fā)出非同調(diào)性的光，頻譜通常分散在30納米至60納米間。LED另外一項缺點是發(fā)光效率差，通常只有輸入功率的1%可以轉(zhuǎn)換成光功率，約是100毫瓦特（micro-watt）左右。但是由于LED的成本較低廉，因此常用于低價的應(yīng)用中。常用于光通訊的LED主要材料是砷化鎵或是砷化鎵磷（GaAsP），后者的發(fā)光波長為1300納米左右，比砷化鎵的810納米至870納米更適合用在光纖通訊。由于LED的頻譜范圍較廣，導(dǎo)致色散較為嚴(yán)重，也限制了其傳輸速率與傳輸距離的乘積。LED通常用在傳輸速率10Mb/s至100Mb/s的局域網(wǎng)路（local area network, LAN），傳輸距離也在數(shù)公里之內(nèi)。目前也有LED內(nèi)包含了數(shù)個量子井（quantum well）的結(jié)構(gòu)，使得LED可以發(fā)出不同波長的光，涵蓋較寬的頻譜，這種LED被廣泛應(yīng)用在區(qū)域性的波長分波多工網(wǎng)絡(luò)中。

半導(dǎo)體雷射的輸出功率通常在100微瓦特（mW）左右，而且為同調(diào)性質(zhì)的光源，方向性相對而言較強(qiáng)，通常和單模光纖的耦合效率可達(dá)50%。雷射的輸出頻譜較窄，也有助于增加傳輸速率以及降低模態(tài)色散（model dispersion）。半導(dǎo)體雷射亦可在相當(dāng)高的操作頻率下進(jìn)行調(diào)變，原因是其復(fù)合時間（recombination time）非常短。

半導(dǎo)體雷射通�？捎奢斎氲碾娏饔袩o直接調(diào)變其開關(guān)狀態(tài)與輸出訊號，不過對于某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長的應(yīng)用，雷射光源可能會以連續(xù)波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的電吸收光調(diào)變器（electroabsorption modulator）或是馬赫·任德干涉儀（Mach-Zehnder interferometer）對光訊號加以調(diào)變。外接的調(diào)變元件可以大幅減少雷射的“啁啾脈沖”（chirp pulse）。啁啾脈沖會使得雷射的譜線寬度變寬，使得光纖內(nèi)的色散變得嚴(yán)重。

光導(dǎo)纖維
光纖纜線包含一個核心（core），纖殼（cladding）以及外層的保護(hù)被覆（protective coating）。核心與折射率（refractive index）較高的纖殼通常用高品質(zhì)的硅石玻璃（silica glass）制成，但是現(xiàn)在也有使用塑膠作為材質(zhì)的光纖。又因為光纖的外層有經(jīng)過紫外線固化后的壓克力（acrylate）被覆，可以如銅纜一樣埋藏于地下，不需要太多維護(hù)費(fèi)用。然而，如果光纖被彎折的太過劇烈，仍然有折斷的危險。而且因為光纖兩端連接需要十分精密的校準(zhǔn)，所以折斷的光纖也難以重新接合。

光放大器
過去光纖通訊的距離限制主要根源于訊號在光纖內(nèi)的衰減以及訊號變形，而解決的方式是利用光電轉(zhuǎn)換的中繼器。這種中繼器先將光訊號轉(zhuǎn)回電訊號放大后再轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的光訊號傳往下一個中繼器，然而這樣的系統(tǒng)架構(gòu)無疑較為復(fù)雜，不適用于新一代的波長分波多工技術(shù)，同時每隔20公里就需要一個中繼器，讓整個系統(tǒng)的成本也難以降低。

光放大器的目的即是在不用作光電與電光轉(zhuǎn)換下就直接放大光訊號。光放大器的原理是在一段光纖內(nèi)摻雜（doping）稀土族元素（rare-earth）如鉺（erbium），再以短波長雷射激發(fā)（pumping）之。如此便能放大光訊號，取代中繼器。

接收器
構(gòu)成光接收器的主要元件是光偵測器（photodetector），利用光電效應(yīng)將入射的光訊號轉(zhuǎn)為電訊號。光偵測器通常是半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光二極管（photo diode），例如p-n接面二極管、p-i-n二極管，或是雪崩型二極管（avalanche diode）。另外“金屬-半導(dǎo)體-金屬”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光偵測器也因為與電路整合性佳，而被應(yīng)用在光再生器（regenerator）或是波長分波多工器中。
光接收器電路通常使用轉(zhuǎn)阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）處理由光偵測器轉(zhuǎn)換出的光電流，轉(zhuǎn)阻放大器和限幅放大器可以將光電流轉(zhuǎn)換成振幅較小的電壓訊號，再透過后端的比較器（comparator）電路轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號。對于高速光纖通訊系統(tǒng)而言，訊號常常相對地衰減較為嚴(yán)重，為了避免接收器電路輸出的數(shù)位訊號變形超出規(guī)格，通常在接收器電路的后級也會加上時脈恢復(fù)電路（clock recovery, CDR）以及鎖相回路（phase-lock loop, PLL）將訊號做適度處理再輸出。

波長分波多工
波長分波多工的實際做法就是將光纖的工作波長分割成多個通道（channel），俾使能在同一條光纖內(nèi)傳輸更大量的資料。一個完整的波長分波多工系統(tǒng)分為發(fā)射端的波長分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波長分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波長分波多工系統(tǒng)的元件是陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Gratings, AWG）。而目前市面上已經(jīng)有商用的波長分波多工器/解多工器，最多可將光纖通訊系統(tǒng)劃分成80個通道，也使得資料傳輸?shù)乃俾室幌伦泳屯黄芓b/s的等級。

帶寬距離乘積
由于傳輸距離越遠(yuǎn)，光纖內(nèi)的色散現(xiàn)象就越嚴(yán)重，影響訊號品質(zhì)。因此常用于評估光纖通訊系統(tǒng)的一項指標(biāo)就是帶寬-距離乘積，單位是百萬赫茲×公里（MHz×km）。使用這兩個值的乘積做為指標(biāo)的原因是通常這兩個值不會同時變好，而必須有所取舍（trade off）。舉例而言，一個常見的多模光纖（multi-mode fiber）系統(tǒng)的帶寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個系統(tǒng)在一公里內(nèi)的訊號帶寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5公里時，帶寬則可以倍增到1000MHz。

應(yīng)用極限

雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)很多技術(shù)降低諸如色散之類的問題，也使得光纖通訊系統(tǒng)的容量已經(jīng)達(dá)到14Tb/s以及160公里的傳輸距離，仍然有些問題需要工程師與科學(xué)家的研究與克服。以下是這些問題的簡單討論。

訊號色散
對于現(xiàn)代的玻璃光纖而言，最嚴(yán)重的問題并非訊號的衰減，而是色散問題，也就是訊號在光纖內(nèi)傳輸一段距離后逐漸擴(kuò)散重疊，使得接收端難以判別訊號的高或低。造成光纖內(nèi)色散的成因很多。以模態(tài)色散為例，訊號的橫模（transverse mode）軸速度（axial speed）不一致導(dǎo)致色散，這也限制了多模光纖的應(yīng)用。在單模光纖中，模態(tài)間的色散可以被壓抑得很低。

但是在單模光纖中一樣有色散問題，通常稱為群速色散（group-velocity dispersion），起因是對不同波長的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所發(fā)射的光波不可能沒有頻譜的分布，這也造成了光波在光纖內(nèi)部會因為波長的些微差異而有不同的折射行為。另外一種在單模光纖中常見的色散稱為極化模態(tài)色散（polarization mode dispersion），起因是單模光纖內(nèi)雖然一次只能容納一個橫模的光波，但是這個橫模的光波卻可以有兩個方向的極化（polarization），而光纖內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)缺陷與變形都可能讓這兩個極化方向的光波產(chǎn)生不一樣的傳遞速度，這又稱為光纖的雙折射現(xiàn)象（fiber birefriigence）。這個現(xiàn)象可以透過極化恒持光纖（polarization-maintaining optical fiber）加以抑制。

訊號衰減
訊號在光纖內(nèi)衰減也造成光放大器成為光纖通訊系統(tǒng)所必需的元件。光波在光纖內(nèi)衰減的主因有物質(zhì)吸收、瑞立散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收系數(shù)只有0.03dB/km，但是光纖內(nèi)的雜質(zhì)仍然會讓吸收系數(shù)變大。其他造成訊號衰減的原因還包括應(yīng)力對光纖造成的變形、光纖密度的微小擾動，或是接合的技術(shù)仍有待加強(qiáng)。

訊號再生
現(xiàn)代的光纖通訊系統(tǒng)因為引進(jìn)了很多新技術(shù)降低訊號衰減的程度，因此訊號再生只需要用于距離數(shù)百公里遠(yuǎn)的通訊系統(tǒng)中。這使得光纖通訊系統(tǒng)的建置費(fèi)用與維運(yùn)成本大幅降低，特別對于越洋的海底光纖而言，中繼器的穩(wěn)定度往往是維護(hù)成本居高不下的主因。這些突破對于控制系統(tǒng)的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非線性現(xiàn)象。此外，光固子也是另外一項可以大幅降低長距離通訊系統(tǒng)中色散的關(guān)鍵技術(shù)。

最后一哩光纖網(wǎng)絡(luò)
雖然光纖網(wǎng)絡(luò)享有高容量的優(yōu)勢，但是在達(dá)成普及化的目標(biāo)，也就是“光纖到府”（Fiber To The Home, FTTH）以及“最后一哩”（last mile）的網(wǎng)絡(luò)布建上仍然有很多困難待克服。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日增，已經(jīng)有越來越多國家逐漸達(dá)成這個目的。以日本為例，光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)開始取代使用銅線的數(shù)位用戶回路系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)的比較

對于某個通訊系統(tǒng)而言，使用傳統(tǒng)的銅纜作為傳輸介質(zhì)較好，或是使用光纖較佳，有幾項考量的重點。光纖通常用于高帶寬以及長距離的應(yīng)用，因為其具有低損耗、高容量，以及不需要太多中繼器等優(yōu)點。光纖另外一項重要的優(yōu)點是即使跨越長距離的數(shù)條光纖并列，光纖與光纖之間也不會產(chǎn)生串訊（cross-talk）的干擾，這和傳輸電訊號的傳輸線（transmission line）正好相反。
不過對于短距離與低帶寬的通訊應(yīng)用而言，使用電訊號的傳輸有下列好處：

較低的建置費(fèi)用
組裝容易
可以利用電力系統(tǒng)傳遞資訊

因為這些好處，所以在很短的距離傳輸資訊，例如主機(jī)之間、電路板之間，甚至是集成電路芯片之間，通常還是使用電訊號傳輸。然而目前也有些還在實驗階段的系統(tǒng)已經(jīng)改采光來傳遞資訊。
在某些低帶寬的場合，光纖通訊仍然有其獨(dú)特的優(yōu)勢：

能抵抗電磁干擾（EMI），包括核子造成的電磁脈沖。（不過光纖可能會毀于α或β射線）
對電訊號的阻抗極高，所以能在高電壓或是地面電位不同的狀況下安全工作。
重量較輕，這在飛機(jī)中特別重要。
不會產(chǎn)生火花，在某些易燃的環(huán)境中顯得重要。
沒有電磁輻射、不易被竊聽，對于需要高度安全的系統(tǒng)而言十分重要。
線徑小，當(dāng)繞線的路徑被限制時，變得重要。

現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

為了能讓不同的光纖通訊設(shè)備制造商之間有共通的標(biāo)準(zhǔn)，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union, ITU）制定了數(shù)個與光纖通訊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括：

ITU-T G.651, "Characteristics of a 50/125 μm multimode graded index optical fibre cable"
ITU-T G.652, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"

其他關(guān)于光纖通訊的標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定了發(fā)射與接收端，或是傳輸介質(zhì)的規(guī)格，包括了：

10G以太網(wǎng)路（10 Gigabit Ethernet）
光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）
光纖通道（Fibre channel）
HIPPI
同步數(shù)位階層（Synchronous Digital Hierarchy）
同步光纖網(wǎng)絡(luò)（Synchronous Optical Networking）

此外，在數(shù)位音效的領(lǐng)域中，也有利用光纖傳遞資訊的規(guī)格，那就是由日本東芝（Toshiba）所制定的TOSLINK規(guī)格。采用塑膠光纖（plastic optical fiber, POF）作為媒介，系統(tǒng)中包含一個采用紅光LED的發(fā)射器以及整合了光偵測器與放大器電路的接收器。

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