光纖通信是自從台灣的PC產業逐漸成熟飽和之後，下一波令人期待的明星產業，近幾個月來在美國的高科技股市當中，光纖通信公司股價的飆漲有如前二年網際網路公司的股價一般，但是與網際網路公司如泡沫經濟般大起大落不同的是，光纖通信產業是另外一個有實際產品的高科技製造業。而且隨著網際網路的盛行，寬頻的需求也越來越高，現有通信糸統中的銅線系統已逐漸無法負荷成幾何級數成長的資料流量，而將一步步的被光纖網路所取代，光纖通信系統也由過去長距離傳輸(Long Haul)的骨幹糸統(Backbone)，逐漸向都會地區(Metropolitans)擴張，而最終的目標便是全光纖網路(All Fiber-Optic Network)。

目前十分熱門的光通訊產業，其實大部份的產品都還是屬於系統設備商建構網路骨幹使用，與一般人的生活其實距離還是挺遠的，因而目前業界所提出的目標便是光纖到家(Fiber to the Home)，光纖到家是全光纖網路努力的目標，同時也是商機所在，而光纖到家所設定的潛在客戶之多，也是令業界對光纖通信的未來極為看好的原因之一。

《圖一　使用於多模光纖網路中的LED》

Gigabit Ethernet為各方所期待

在網路通信的協定(Protocol)中，乙太網路(Ethernet)成功地將傳輸速率由Ethernet 的10 Mbs(Megabits per Second)提升到100 Mbs的Fast Ethernet，使得各方對更高速的GbE(Gigabit Ethernet,1000 Mbs)在未來寬頻網路的應用上充滿了期待，為了滿足GbE的傳輸需求，同時考慮到未來ATM(Asynchronized Transmission Mode)及Fiber Channel達2.5Gbs傳輸速度的需要，工業界必須顧及現有的光纖網路及未來更高速的需求，針對光纖硬體制定出一套的標準，這也是IEEE 802.3z Gigabit Ethernet標準的由來。

單模與多模

提到光纖產品，一般可將光纖被動元件與產品分為二類：單模(Single-Mode)產品與多模(Multi-Mode)產品。簡單來說，單模光纖的核心較細(約為9um)，傳輸的距離較長，光訊號在其中衰減也較小，但是所需的設備十分昂貴，因此多用於網路骨幹糸統(Backbone)或長距離傳輸(Long Haul)之用，而這些環境中所使用的光發射模組(Transmitter)，其中的發光源多為雷射(操作的波長為1310nm或是1550nm)。

相對地，多模光纖的核心較粗(有50um及62.5um二種規格)，傳輸的距離較短，光訊號在其中衰減也較大，但是所需的設備比較便宜，因此多用於區域網路(LAN)，或是大樓及校園鋪設光纖網路等較短距離之用，而現存的光纖區域網路糸統中，例如遠自二十年前在美國所鋪設的區域網路系統中，所使用的大多是業界標準的160/500 MHz-km 62.5/125多模光纖，而使用於多模光纖環境中的光收發模組，其中的發光源多為LED(Light Emitting Diode)。

《圖二　將GbE光纖跳接線單模的接頭接上雷射發光源》

由LED改為雷射

一般應用在多模光纖網路中的光收發模組，其中的發光源是發光二極體(LED)，LED的最高發射速度為622 Mbs，在Gigabit的環境中，訊號發射的速度最少必須達到1000Mbs，因此，光收發模組中的發光源必須使用雷射，而GbE也是業界第一個大規模使用雷射而不是LED的光纖產品。

雷射可以提供更高的發射速度，但相對的也較LED昂貴許多 Q所幸目前有一種新的雷射技術，稱為垂直腔共振面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers-VCSELs)，這種技術可以提供接近雷射的光源品質及發射速度，但是製造成本卻接近LED的製造成本，為GbE提供一個完美的解決方案。

目前在市場上只有850nm波長的VCSEL產品較為成熟，而1300nm波長的VCSEL正是業者下一步努力的方向。然而，由於850nm波長的光源，其所發出的訊號在多模光纖中的損耗較1300nm波長的光源為大，因而在1300nm波長的VCSEL商品化之前，Gigabit Ethernet網路所使用的發光源仍是1300 nm波長的雷射。

雷射使用於多模光纖中的問題－DMD

照道理說，發光源由LED改為雷射，由於雷射光束較LED光束更為集中，理論上在多模光纖中可以傳輸更遠的距離，但是實際的實驗中卻出現了完全相反的結果，使用雷射在多模光纖中所能傳輸的距離，反較使用LED時更短。

由(圖一)中所示可以了解，一般使用於多模光纖網路中的LED，所發射出的光束較寬(>100 um)，甚至寬過多模光纖的核心直徑(62.5um)，雷射光束具有集中、較窄的特性(直徑為8~10 um)，因此僅能在多模光纖核心的部分區域中傳輸；如此當雷射光束對準多模光纖核心的中央部分射入時，由於多模光纖核心的反射特性(肇因於多模光纖的製造過程)，會使得超過一組的模態(Mode)在多模光纖核心的中心線(Centerline)部份被激發，因而產生不同的訊號並且在傳輸的過程中彼此重疊干涉，而大大縮短了光訊號所能傳輸的距離，這種現象稱為DMD(Differential Mode Delay)，不僅於多模光纖中使用雷射發光源會造成DMD現象，於多模光纖中使用VCSEL發光源同樣也會造成DMD現象。

DMD現象的解決方案

為了解決多模光纖中的DMD現象，在製造多模光纖時控制多模光纖核心的反射特性，可以將DMD現象降到最低，但是對目前已鋪設的光纖網路系統卻毫無幫助，因為重新鋪設光纖網路系統不僅昂貴費時，而且大可直接改用單模光纖而收一勞永逸的效果。

而針對現今已鋪設的多模光纖網路系統，消除DMD現象的唯一解決方案便是精確地控制雷射光射入多模光纖核心的位置，這時雷射光在偏離多模光纖核心中心一定距離的位置射入，藉由控制雷射光在多模光纖中的行進路徑，將DMD的現象降到最低。

目前有二種光發射模組應用於Gigabit Ethernet網路中：SX或是短波(850nm)發射模組、以及LX或是長波(1300 nm)發射模組。SX(850nm)發射模組可以在模組內部針對所需偏移距離做調整設定，但是由於LX(1300nm)發射模組必須同時使用於多模光纖與單模光纖的環境中，一旦在發射模組內部針對所需偏移距離做調整設定後，由於單模光纖的核心極細(9um)，此時雷射射入的位置已偏離單模光纖的核心，因此這個發射模組便無法再使用於單模光纖的環境中。

為了使LX(1300nm)發射模組可同時使用於多模光纖與單模光纖的環境中，此時雷射射入的位置的偏離便必須在發射模組的外部達成，這個目的便是由將LX(1300nm)發射模組連接上一條GbE光纖跳接線，或稱”Mode Conditioning Patchcord”來實現。而在此GbE光纖跳接線所控制雷射光偏離多模光纖核心中心的距離，便是各家廠商不同的研究成果，同時大大影響著光訊號傳輸的距離。

《圖三　GbE光纖跳接線是由一根單模光纖，精確地對準一根多模光纖偏離核心一定距離的位置所構成。》

GbE光纖跳接線

將GbE光纖跳接線單模的接頭接上雷射發光源(圖二)，藉由GbE光纖跳接線中的機制，精密控制地雷射光射入多模光纖核心的位置，將雷射光於偏離多模光纖核心一定距離的位置射入，使得光訊號在偏離多模光纖核心中心的部分前進，以達到消除多種模態相互干涉的效應。而GbE光纖跳接線便是由一根單模光纖精確地對準一根多模光纖偏離核心一定距離的位置所構成，可參考(圖三)。

在目前現有的區域光纖網路架構中，若在未來有升級到Gigabit Ethernet的計畫，則一定必需使用GbE光纖跳接線。目前已研發生產GbE跳線的廠商有美國的Siecor及國內的台精科技。

《圖四　使用與未使用GbE光纖跳接線之差異》

GbE糸統效能評估

一般而言，影響Gigabit Ethernet系統效能最重要的幾個因素，為糸統所使用的「波長」、所使用的「光纖種類」，以及所使用的「頻寬」。可參考(表一)及(表二)，表中簡單列出了GbE不同規格下所能傳輸的距離。

簡單解釋表一、表二中的含意：以核心同樣為50um的多模光纖為例，由於製程的不同，製造出漸變式折射率的光纖(400 MHz-km或是500 MHz-km)，光訊號在這種光纖中行進時可以有透鏡聚焦的效果，因而增加傳輸的距離。例如在500 MHz-km核心為50um的多模光纖中，SX發射源所發出的光訊號，在最不理想的條件下所能傳輸的最小距離為550公尺。另外，表格中所列舉的傳輸距離是在最差的情況下所能達到的效果。Gigabit Ethernet系統對於光訊號的衰減，也必須達到每一公里損耗0.5dB以下的水準(＜0.5dB/Km)。

《表一　》

眼圖的評估方法

眼圖(Eye Diagram)是另外一個評估傳輸效果的方法，眼圖的橫軸(x-axis)為時間，縱軸(y-axis)為光訊號的脈衝強度，(圖四)表現的是在使用與未使用GbE光纖跳接線後，於距離訊號發射源二公里的位置，所測得的時間與光訊號的脈衝強度的關係，下圖中的左上圖及左下圖顯示，在使用GbE光纖跳接線後，光訊號的強度呈現穩定的變化模式，就如同一隻睜開的大眼睛。

但是圖四下圖中的右上圖及右下圖顯示，在直接將雷射射入多模光纖核心的中央部分時，光訊號的強度將呈現極不穩定的變化模式，就如同一隻越閉越小的眼睛。因此眼圖中眼睛圖案睜開的大小，也是判斷GbE光纖跳接線效能的指標之一。

《表二　》

結語

佈線是一個網路系統中最重要的基本架構，同時線路系統的佈置也是十分昂貴，而且不容易更換的。因此，佈線時規格的選擇必須同時顧及現有的設備與未來更高速的需求，在未來的全光纖網路系統中，同時混合單模光纖與多模光纖的光纜將大量使用於網路骨幹系統中，以因應目前的傳輸規格與未來更高速的需求，而在區域網路等較短傳輸距離的系統中，多模光纖與LED發射模組仍然將提供一個經濟且有效的組合，GbE光纖跳接線與VCSEL的問世，則為這種經濟有效的組合提供了一條升級到Gigabit Ethernet的坦途。