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CTIMES / 文章 / 光纖通信硬體概論（上）   【作者： 高士】   2004年10月05日 星期二 瀏覽人次：【18254】 光纖除了可作為網際網路高速資料存取的線路之外，還可以應用於其它領域，例如光纖到府（Fiber To The Home；FTTH）或影像傳輸等等。其實利用光纖進行通信的構想，早在50年代就曾被提出，不過當時通信用高透明玻璃的製作技術，與發光/收光元件等周邊技術還不成熟，使得光纖通信始終無法實用化，直到70年代美國康寧發表傳輸損失為20dB/km的光纖之後，光纖通信與半導體雷射才正式開始商業化的應用研究，90年代更快速成為生活中的一部份，有鑑於此本文將詳細介紹有關光纖通信的硬體結構。 光通信的發展經緯 早期的光纖屬於多模光纖（Multi Mode Fiber；MMF），由於導通光線core部位的折射率為一定值，因此多模光纖又稱為SI型光纖（Step Index Type Fiber），折射率呈二次方分佈的光纖則稱為GI型光纖（Grated Index Type Fiber）。早期光源的波長雖然只有850nm左右，不過傳輸損損失卻高達2.5dB/km，相較之下90年代波長為1300nm的傳輸損失只有0.5dB/km。1300nm最大缺點是發光元件的價格非常昂貴，由於1300nm是繼850nm之後第二個實用化光源，所以稱為「second window」，接著問世的1550nm光源則稱為「third window」。由於GI型光纖屬於多模光纖，因此若與單模光纖（Single Mode Fiber；SMF）比較時，就會發生所謂的傳輸頻寬極限等問題。頻寬1300nm的單模光纖，在1310nm波長時具有波長分散等於0的特徵，由此可知雖然光纖可作高速傳輸，不過光纖本身也有所謂的「分散」困擾，使得傳輸速度受到一定的限制。由於1310nm的光源分散是0，因此很快就成為市場主流。 如(圖一)的loss spectre特性圖可知，事實上1550nm的波長是光纖傳輸損失最小的頻率範圍。過去1550nm的光纖傳輸受到1380nm OH離子（不純水份）吸收損失的影響，導致1550nm的光纖傳輸損失非常高，不過最近已經大幅降低吸收損失，OH離子的吸收也接近0左右，因此1550nm的波長才進入實用化階段，而光纖也能在寬頻領域中達成高速傳輸的要求。一般而言傳輸損失以1550nm最小，波長分散則以1310nm的零分散最小，為彌補上述兩波長的缺點，所以將零分散波長shift至1550nm領域，進而製成分散shift型光纖DSF。此外由於波長為1550nm的半導體雷射二極體（Laser Diode；LD）與高速變調器的開發，因此目前1Gbps的信號大約可傳輸100km左右。 《圖一　光纖的loss spectre特性（單模光纖）》 光的特性 基本上光屬於波長極短的電磁波，真空中光的速度為30萬km/sec（2.998×108m/sec），光線在水中與空氣中的速度因為有介質折射率的影響，所以會比真空中的速度稍慢。(圖二)是SI型光纖的構造，(圖三)是各種光纖進行光傳輸的差異。圖中光通過部位稱為蕊芯（core），反射光線的部位稱為包覆層（clad layer）。 《圖三　各種光纖進行光傳輸的差異》 光纖的分類 石英光纖 大部份的通信用光纖，它的core與clad層都是石英玻璃製成。由於石英光纖容易斷裂，所以再用塑膠包覆clad層，藉此強化光纖的強度。core與clad層兩者的折射率略有差異，因此GI型光纖的core中心附近，光線的傳輸速度較慢，外圍部份的光線速度較快，折射率則是呈二次方分佈，換句話說GI型光纖是藉此方法降低core與clad層兩者的折射率差異。 Hard Polymer Clad Fiber（HPCF） HPCF的core是用石英玻璃製成，clad層的材質則為Hard Polymer，為了傳輸光線因此clad層再用折射率比石英玻璃更低的Polymer包覆。 塑膠光纖 塑膠光纖的core與clad層都是用塑膠製成，塑膠光纖主要是應用在短距離傳輸與音響設備之間的連接。短距離通信用塑膠光纖的core與clad，則分別由不同的塑膠材料所製成。 中空光纖 雖然某些中央部位成中空狀的中空光纖，結構上與導波管很類似，但是一般所謂的中空光纖並非如此結構。 石英光纖的基本特性 單模（single mode）光纖與多模（multi mode）光纖 光纖傳遞光線的路徑稱為mode，傳輸路徑只有一條者稱為單模光纖（single mode fiber）；傳輸路徑有二條以上者稱為多模光纖（multi mode fiber）；如果光線傳遞路徑連一條都沒有時，稱為「cut off狀」，這種情況當然無法傳遞光線。 損失（衰減量）與光能（power） 基本上光線並無電壓、電流等物理概念，通常是以輸入後的光能（power）衰減量表示損失。損失的單位是dB（decibel），光能（power）則以「W」或是dBm表示，例如0dBm＝1mW。 分散 如(圖四)所示光的脈衝（pulse）隨著時間擴散稱為「分散」，一般而言光纖的長度越長分散越大。光脈衝若發生擴散會造成擴散前後的脈衝重合，最後導致無法判別有無脈衝的窘境。由於分散的多寡取決於通信速度，因此分散特性與通信速度兩者成互動關係，而且分散對高速光通信具有決定性的影響。 《圖四　分散造成光脈衝擴散》 mode分散 由於多模光纖具有複數條光線傳輸路徑，因此會在射出端合成成為傳輸路徑相異（傳輸時間相異）的光線，其結果造成光脈衝更加分散；相較之下單模光纖的光線傳輸路徑只有一條，所以沒有mode分散的困擾。 材料分散與構造分散 所謂的材料分散與構造分散，主要是由構成光纖的材料與結構差異造成的分散現象。如(圖五)所示單模光纖的材料分散與構造分散，會在1310nm附近相互抵銷變成0。分散shift型光纖（DSF）無法利用材質調整分散，因此需改變構造使材料分散與構造分散兩者能在1310nm附近相互抵銷變成0。 《圖五　單模光纖的材料分散、構造分散與波長分散》 波長分散 (圖六)是1550nm波長，零分散shift型光纖的波長分散特性。光通信使用的LD與LED等光源，在發光頻譜（spectre）中具有一定的寬度，雖然光源型錄上都會記載發光元件的半值幅寬，不過光纖的傳輸速度會隨著波長改變，換句話說如果使用頻譜較大的光源時，會使射出脈衝變大。由於頻譜的單位是波長，脈衝擴散的單位是時間，因此這種分散稱為「波長分散」。圖五與圖六分別表示光纖在ps（picot秒）單位時間內，1nm光源每公里（km）的分散大小。長距離光通信通常是使用LD當光源，主要理由除了輸出power的考量之外，例如使用半值幅較小的DFB雷射作為光源，還可利用它的波長分散特性抑制脈衝擴散現象。 《圖六　1550nm零分散shift type光纖的波長分散特性》 高速長距離傳輸特性 高速長距離傳輸除了需要降低傳輸損失之外，還需設法抑制波形變形等問題，尤其是越洋海底光纖，甚至需要考慮類似單模偏波狀態所衍生的偏波mode分散（PMD），因為即使是微量的分散，由於光纖長度長達數千公里，累積後會形成相當可觀的分散量，進而對傳輸特性造成不良影響，換句話說高速長距離傳輸時，光纖的分散特性比傳輸損失更受到重視。 光通信基本元件 光學連接器 使用光通信設備或是光量測儀，以及各種光學模組時，通常會以光學連接器（connector）作為與光纖連接的介面。(圖七)是FC type與SC type光學連接器的外觀。由於光纖與同軸電纜不同，所以光學連接器通常是與光纖成模組狀販售。選用光學連接器除了需考慮匹配性之外，反射率（反射衰減量）也是重要項目之一。(圖八)是研磨的差異造成連接器產生不同的反射率差；(圖九)是光學連接器常用的研磨方式；(表一)是研磨方式與光學特性統計，由表一可知所謂的反射率，基本上是研磨方式的差異所造成。所謂反射是指光線從連接器端面折返光纖的現象而言，反射率越高代表LD的發振越不穩定，若變成多重反射時甚至會造成影像信號出現鬼影（ghost）與雜訊，尤其是傳輸類比影像時更需注意上述問題。此外連接器端面若有油垢、粉塵，會導致傳輸損失增加，因此使用前務必將連接器端面擦拭乾淨。 《圖七　光學連接器的外觀》 《圖八　光學連接器的研磨種類，可顯示連接器不同的研磨方式與反射率的差異》 《表一　光學連接器的研磨方法與光學特性》 光學Isolator 所謂光學Isolator是指能讓光線單向通行，阻隔逆向光通行的光學元件而言。(圖十)是光學Isolator的動作原理；(圖十一)是光學Isolator的外觀。由圖十可知光學Isolator是將光的偏光分解成兩個直線偏光，接著利用法拉第（Faraday）旋轉器使兩個直線偏光旋轉45°，之後再使兩偏光進行合成，其結果是從逆向射入的光線會被旋轉90°，再經過偏光元件的組合就無法繼續朝前方行進。 一 《圖十一 光學Isolator的外觀》

光纖耦合器

光纖耦合器（optical fiber coupler）主要用途是使光線分歧或是分波。雖然還有其它方法可以達成相同效果，不過以光纖耦合器的結構最簡易成本最低廉。圖(十二)是光纖耦合器的構成圖；(圖十三)是光纖耦合器的外觀圖。基本上光纖耦合器是將兩條光纖平行置放加熱，平行部位變成一體化後再將它拉伸即可。

《圖十三　光纖耦合器的外觀圖》

分歧耦合器（coupler）

分歧耦合器主要功能是使輸入光維持一定的分歧比率，其中又以50對50分歧耦合器的使用最普及，除此之外99對1的分歧耦合器，經常被當作回線power的監控器（monitor）使用。

WDM耦合器

WDM耦合器主要功能是使兩個波長相異的光信號從port輸入，再由輸出port輸出兩個光信號。除此之外WDM耦合器還可使相異的window光線進行分波、合波動作。

star coupler

star coupler主要功能是當分歧耦合器串聯連接時，它可使一個輸入port能同時具備16個甚至32個輸出port。除此之外某些star coupler是將複數條光纖作成束帶狀，再利用溶接拉伸方式製成。如(圖十四)所示類似有線電視基地台就是利用star coupler，使複數條光纖形成分歧狀結構。

《圖十四　star coupler的應用實例》

資料傳輸系統的基本結構與關鍵技術

基本結構

(圖十五)是利用光纖形成資料傳輸系統結構，由圖可知送信端先將欲傳輸的資料進行多重化、電器－光學轉換以及波長多重化，接著輸入光纖內；收信端則依照波長將必要的光線取出，再經過光學－電器轉換與波長多重分離。一般而言電視轉播站與行動電話等高頻信號，通常是將電氣信號直接轉換成光學信號，再利用光纖進行傳輸，由於遠方的高頻信號也是使用相同方式作雙向資料傳輸，因此行動電話可在地下道進行通話。

《圖十五　是利用光纖形成資料傳輸系統結構》

雷射二極體（Laser Diode；LD）

雷射二極體（LD）與發光二極體（LED）等光學元件，主要功能是將電氣信號轉換成光學信號。LED的優點是價格低廉，缺點是無法獲得高輸出功率，同時也無法作高速變調。相較之下類似FP Type與DFB Type的LD，除了具備高輸出功率特徵之外還可作高速變調。

Photo Diode

Photo Diode同樣可將電氣信號轉換成光學信號，以往基於高感度等考量，Avalanche Photo Diode（APD）曾經是市場主流，不過目前大多已經改用PIN Photo Diode。

有關增加光纖通信傳輸容量的技術

利用複數相異波長提高傳輸速度

波長多重化（WDM）不但能提高各傳輸器的傳輸速度，同時還能藉由多重化的提升大幅增加傳輸容量。假設每條光纖的光power一定時，單位波長的power相對變小，不過在此同時相同波長間隔若作多重化，由於波長與波長之間相互作用，因此極易產生雜訊（noise），進而影響光纖通信的品質。

增加波長間隔，形成4～8波左右的多重化稱為CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplex）；波長間隔為0.8nm，數量超過40波以上者則稱為DWDM（Dense Wavelength Division Multiplex），目前DWDM單位波長的傳輸速度大約是10Gbps～4010Gbps左右。

利用單波長提高傳輸速度

這種技術是由日本開發。如果以高速開/閉（ON/OFF）光源，理論上可以提高傳輸速度，不過相對的送信端需要搭配高速驅動電路（即使是LD光源也不例外）才能達成，收信端則需設置可將光學信號轉換成高速電氣脈衝的電路。此外在光纖中傳輸的光脈衝，極易受到高速後產生的「分散」的影響，因此傳輸波形必需作最適化處理，例如光學soliton通信方法就是利用光纖的非線形現象，以所謂的「soliton」波形進行高速傳輸。

增加光纖數量提高傳輸速度

如果有充分的光纖，增加光纖數量提高傳輸速度可說是很好的方法之一。

結語

自從光纖通信與半導體雷射技術開始商業化研究，並走入人們的生活之後，已經帶來無窮無盡的便利性與商業利益，其所能傳送的容量與距離都得到大幅度的提升。光傳輸速度接近30萬km/sec，只要有適當的光纖材料與光學連結器，就可以將光纖傳輸的損失量降至最低。但是以往利用光纖做長距離的光信號傳輸時，都需要進行繁瑣的光－電轉換作業，亦即先將光信號轉換成電氣信號，之後再將已增幅的電氣信號轉換為光信號，以達到光信號增幅的目的。當EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）問世之後，此一繁瑣的轉換程序得到了解決。EDFA可以直接將光信號增幅，使光纖通信技術得到革命性的進步。本文將在下期就EDFA技術的特性與原理進行深入探討，並介紹其他相關的光增幅器與光信號量測方式。

＜下期預告:光增幅技術的誕生，已使得光纖通信技術得到革命性的進步。而光增幅技術如何解決困擾工程師已久的光－電轉換作業問題，並讓光纖通信進入高速大容量的傳輸時代？下一期的零組件雜誌將繼續為讀者詳細剖析，敬請期待！＞

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