光纖通訊

　　光纖通訊屬于有線通信的一種。光經(jīng)過調(diào)變（modulation）后便能攜帶資訊。自1980年代起，光纖通訊系統(tǒng)對于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性，同時也在數(shù)位時代里扮演非常重要的角色。光纖通信傳輸容量大，保密性好。光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)成為當今最主要的有線通信方式。將需傳送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過傳輸媒質(zhì)傳送到遠處的接收端，由接收機解調(diào)出原來的信息。
 

　　信號調(diào)制方式的不同，光纖通信可以分為數(shù)字光纖通信，模擬光纖通信。光纖通信的產(chǎn)業(yè)包括了光纖光纜，光器件，光設(shè)備，光通信儀表，光通信集成電路等多個領(lǐng)域。

　　利用光纖做為通訊之用通常需經(jīng)過下列幾個步驟：

　　以發(fā)射器（transmitter）產(chǎn)生光訊號。

　　以光纖傳遞訊號，同時必須確保光訊號在光纖中不會衰減或是嚴重變形。

　　以接收器（receiver）接收光訊號，并且轉(zhuǎn)換成電訊號。

　　應(yīng)用

　　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?，光纖的優(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

　　自古以來，人類對于長距離通訊的需求就不曾稍減。隨著時間的前進，從烽火到電報，再到1940年第一條同軸電纜（coaxial cable）正式服役，這些通訊系統(tǒng)的復(fù)雜度與精細度也不斷的進步。但是這些通訊方式各有其極限，使用電氣訊號傳遞資訊雖然快速，但是傳輸距離會因為電氣訊號容易衰減而需要大量的中繼器（repeater）；微波（microwave）通訊雖然可以使用空氣做介質(zhì)，可是也會受到載波頻率（carrier frequency）的限制。到了二十世紀中葉，人們才了解使用光來傳遞資訊，能帶來很多過去所沒有的顯著好處。

　　然而，當時并沒有同調(diào)性高的發(fā)光源（coherent light source），也沒有適合作為傳遞光訊號的介質(zhì)，也所以光通訊一直只是概念。直到1960年代，雷射（laser）的發(fā)明才解決了第一項難題。1970 年代康寧公司（Corning Glass Works）發(fā)展出高品質(zhì)低衰減的光纖則是解決了第二項問題，此時訊號在光纖中傳遞的衰減量第一次低于光纖通訊之父高錕所提出的每公里衰減20分貝（20dB/km）關(guān)卡，證明了光纖作為通信介質(zhì)的可能性。與此同時使用砷化鎵（GaAs）作為材料的半導(dǎo)體雷射（semiconductor laser）也被發(fā)明出來，并且憑借著體積小的優(yōu)勢而大量運用于光纖通訊系統(tǒng)中。1976年，第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。

　　經(jīng)過了五年的研發(fā)期，第一個商用的光纖通訊系統(tǒng)在1980年問市。這個人類史上第一個光纖通訊系統(tǒng)使用波長800納米（nanometer）的砷化鎵雷射作為光源，傳輸?shù)乃俾剩╠ata rate）達到45Mb/s（bits per second），每10公里需要一個中繼器增強訊號。

　　第二代的商用光纖通訊系統(tǒng)也在1980年代初期就發(fā)展出來，使用波長1300納米的磷砷化鎵銦（InGaAsP）雷射。早期的光纖通訊系統(tǒng)雖然受到色散（dispersion）的問題而影響了訊號品質(zhì)，但是1981年單模光纖（single-mode fiber）的發(fā)明克服了這個問題。到了1987年時，一個商用光纖通訊系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)高達1.7Gb/s，比第一個光纖通訊系統(tǒng)的速率快了將近四十倍之譜。同時傳輸?shù)墓β逝c訊號衰減的問題也有顯著改善，間隔50公里才需要一個中繼器增強訊號。1980年代末，EDFA的誕生，堪稱光通信歷史上的一個里程碑似的事件，它使光纖通信可直接進行光中繼，使長距離高速傳輸成為可能，并促使了DWDM的誕生。

　　第三代的光纖通訊系統(tǒng)改用波長1550納米的雷射做光源，而且訊號的衰減已經(jīng)低至每公里0.2分貝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化鎵銦雷射的光纖通訊系統(tǒng)常常遭遇到脈波延散（pulse spreading）問題，而科學(xué)家則設(shè)計出色散遷移光纖（dispersion-shifted fiber）來解決這些問題，這種光纖在傳遞1550納米的光波時，色散幾乎為零，因其可將雷射光的光譜限制在單一縱模（longitudinal mode）。這些技術(shù)上的突破使得第三代光纖通訊系統(tǒng)的傳輸速率達到2.5Gb/s，而且中繼器的間隔可達到100公里遠。 　　

　　第四代光纖通訊系統(tǒng)引進了光放大器（optical amplifier），進一步減少中繼器的需求。另外，波長分波多工（wavelength-division multiplexing, WDM）技術(shù)則大幅增加傳輸速率。這兩項技術(shù)的發(fā)展讓光纖通訊系統(tǒng)的容量以每六個月增加一倍的方式大幅躍進，到了2001年時已經(jīng)到達10Tb/s的驚人速率，足足是80年代光纖通訊系統(tǒng)的200倍之多。近年來，傳輸速率已經(jīng)進一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一個中繼器。

　　第五代光纖通訊系統(tǒng)發(fā)展的重心在于擴展波長分波多工器的波長操作范圍。傳統(tǒng)的波長范圍，也就是一般俗稱的“C band”約是1530納米至1570納米之間，新一帶的無水光纖（dry fiber）低損耗的波段則延伸到1300納米至1650納米間。另外一個發(fā)展中的技術(shù)是引進光固子（optical soliton）的概念，利用光纖的非線性效應(yīng)，讓脈波能夠抵抗色散而維持原本的波形。

　　1990年至2000年間，光纖通訊產(chǎn)業(yè)受到因特網(wǎng)泡沫的影響而大幅成長。此外一些新興的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如隨選視訊（video on demand）使得因特網(wǎng)帶寬的成長甚至超過摩爾定律所預(yù)期集成電路芯片中晶體管增加的速率。而自因特網(wǎng)泡沫破滅至2006年為止，光纖通訊產(chǎn)業(yè)透過企業(yè)整并壯大規(guī)模，以及委外生產(chǎn)的方式降低成本來延續(xù)生命。

　　現(xiàn)在的發(fā)展前沿就是全光網(wǎng)絡(luò)了，使光通信完全的代替電信號通訊系統(tǒng)，當然，這還有很長的路要走。

　　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，通常和單模光纖的耦合效率可達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)體雷射亦可在相當高的操作頻率下進行調(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，不需要太多維護費用。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，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，光纖內(nèi)的色散現(xiàn)象就越嚴重，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。

　　訊號再生

　　現(xiàn)代的光纖通訊系統(tǒng)因為引進了很多新技術(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)百公里遠的通訊系統(tǒng)中。這使得光纖通訊系統(tǒng)的建置費用與維運成本大幅降低，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，但是在達成普及化的目標，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。

　　現(xiàn)行技術(shù)標準

　　為了能讓不同的光纖通訊設(shè)備制造商之間有共通的標準，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)的標準，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)于光纖通訊的標準則規(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。