光纖通訊:傳遞資訊的方式-中文百科頻道

定義

光纖通信是利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式（定義）。由于激光具有高方向性、高相幹性、高單色性等顯着優點，光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纖通信。

四通八達的國防光纖通信網建設，極大提高了我軍的信息化建設水平，也對模拟通信時代的維護管理模式提出了嚴峻挑戰。

光纖通訊（Fiber-opticcommunication）也作光纖通信,是指一種利用光與光纖（opticalfiber）傳遞資訊的一種方式。屬于有線通信的一種。光經過調變（modulation）後便能攜帶資訊。自1980年代起，光纖通訊系統對于電信工業産生了革命性的作用，同時也在數位時代裡扮演非常重要的角色。光纖通信具有傳輸容量大，保密性好等許多優點。光纖通信現在已經成為當今最主要的有線通信方式。将需傳送的信息在發送端輸入到發送機中，将信息疊加或調制到作為信息信号載體的載波上，然後将已調制的載波通過傳輸媒質傳送到遠處的接收端，由接收機解調出原來的信息。

根據信号調制方式的不同，光纖通信可以分為數字光纖通信，模拟光纖通信。光纖通信的産業包括了光纖光纜，光器件，光設備，光通信儀表，光通信集成電路等多個領域。

以發射器（transmitter）産生光訊号。

以光纖傳遞訊号，同時必須确保光訊号在光纖中不會衰減或是嚴重變形。

以接收器（receiver）接收光訊号，并且轉換成電訊号。

原理

光纖通信的原理是：在發送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信号，然後調制到激光器發出的激光束上，使光的強度随電信号的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發送出去；在接收端，檢測器收到光信号後把它變換成電信号，經解調後恢複原信息。

介紹

應用領域

利用光纖做為通訊之用通常需經過下列幾個步驟：

以發射器（transmitter）産生光訊号。

以光纖傳遞訊号，同時必須确保光訊号在光纖中不會衰減或是嚴重變形。

以接收器（receiver）接收光訊号，并且轉換成電訊号。

應用

光纖常被電話公司用于傳遞電話、因特網，或是有線電視的訊号，有時候利用一條光纖就可以同時傳遞上述的所有訊号。與傳統的銅線相比，光纖的訊号衰減（attenuation）與遭受幹擾（interference）的情形都改善很多，特别是長距離以及大量傳輸的使用場合中，光纖的優勢更為明顯。然而，在城市之間利用光纖的通訊基礎建設（infrastructure）通常施工難度以及材料成本難以控制，完工後的系統維運複雜度與成本也居高不下。因此，早期光纖通訊系統多半應用在長途的通訊需求中，這樣才能讓光纖的優勢徹底發揮，并且抑制住不斷增加的成本。

從2000年光通訊（opticalcommunication）市場崩潰後，光纖通訊的成本也不斷下探，已經和銅纜為骨幹的通訊系統不相上下。

對于光纖通訊産業而言，1990年光放大器（opticalamplifier）正式進入商業市場的應用後，很多超長距離的光纖通訊才得以真正實現，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超過250000公裡，每秒能攜帶的資料量超過2.56Tb，而且根據電信業者的統計，這些數據從2002年後仍然不斷的大幅成長中。

曆史

自古以來，人類對于長距離通訊的需求就不曾稍減。随着時間的前進，從烽火到電報，再到1940年第一條同軸電纜（coaxialcable）正式服役，這些通訊系統的複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，使用電氣訊号傳遞資訊雖然快速，但是傳輸距離會因為電氣訊号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，可是也會受到載波頻率（carrierfrequency）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着好處。

然而，當時并沒有同調性高的發光源（coherentlightsource），也沒有适合作為傳遞光訊号的介質，所以光通訊一直隻是概念。直到1960年代，雷射（laser）的發明才解決了第一項難題。1970年後康甯公司（CorningGlassWorks）發展出高品質低衰減的光纖則是解決了第二項問題，此時訊号在光纖中傳遞的衰減量第一次低于光纖通訊之父高锟所提出的每公裡衰減20分貝（20dB/km）關卡，證明了光纖作為通信介質的可能性。與此同時使用砷化镓（GaAs）作為材料的半導體雷射（semiconductorlaser）也被發明出來，并且憑借體積小的優勢而大量運用于光纖通訊系統中。1976年，第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通信系統在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。

經過了五年的研發期，第一個商用的光纖通訊系統在1980年問市。這個人類史上第一個光纖通訊系統使用波長800納米（nanometer）的砷化镓雷射作為光源，傳輸的速率（datarate）達到45Mb/s（bitspersecond），每10公裡需要一個中繼器增強訊号。

第二代的商用光纖通訊系統也在1980年後發展出來，使用波長1300納米的磷砷化镓铟（InGaAsP）雷射。早期的光纖通訊系統雖然受到色散（dispersion）的問題而影響了訊号品質。但是1981年單模光纖（single-modefiber）的發明克服了這個問題。到了1987年時，一個商用光纖通訊系統的傳輸速率已經高達1.7Gb/s，比第一個光纖通訊系統的速率快了将近四十倍之譜。同時傳輸的功率與訊号衰減的問題也有顯着改善，間隔50公裡才需要一個中繼器增強訊号。1980年代末，EDFA的誕生，堪稱光通信曆史上的一個裡程碑似的事件，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改用波長1550納米的雷射做光源，而且訊号的衰減已經低至每公裡0.2分貝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化镓铟雷射的光纖通訊系統常常遭遇到脈波延散（pulsespreading）問題，而科學家則設計出色散遷移光纖（dispersion-shiftedfiber）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，因其可将雷射光的光譜限制在單一縱模（longitudinalmode）内。這些技術上的突破使得第三代光纖通訊系統的傳輸速率達到2.5Gb/s，而且中繼器的間隔可達到100公裡遠。

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

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

1990年至2000年間，光纖通訊産業受到因特網泡沫的影響而大幅成長。此外一些新興的網絡應用，如随選視訊（videoondemand）使得因特網帶寬的成長甚至超過摩爾定律（Moore''''sLaw）所預期集成電路芯片中晶體管增加的速率。而自因特網泡沫破滅至2006年為止，光纖通訊産業透過企業整并壯大規模，以及委外生産的方式降低成本來延續生命。

現在的發展前沿就是全光網絡了，使光通信完全的代替電信号通訊系統，當然，這還有很長的路要走。

核心技術

現代的光纖通訊系統多半包括一個發射器，将電訊号轉換成光訊号，再透過光纖将光訊号傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建築物。系統中還包括數種光放大器，以及一個光接收器将光訊号轉換回電訊号。在光纖通訊系統中傳遞的多半是數位訊号，來源包括電腦、電話系統，或是有線電視系統。

發射器

在光纖通訊系統中通常作為光源的半導體元件是發光二極管（light-emittingdiode,LED）或是雷射二極管（laserdiode）。LED與雷射二極管的主要差異在于前者所發出的光為非同調性（noncoherent），而後者則為同調性（coherent）的光。使用半導體作為光源的好處是體積小、發光效率高、可靠度佳，以及可以将波長最佳化，更重要的是半導體光源可以在高頻操作下直接調變，非常适合光纖通訊系統的需求。

LED借着電激發光（electroluminescence）的原理發出非同調性的光，頻譜通常分散在30納米至60納米間。LED另外一項缺點是發光效率差，通常隻有輸入功率的1%可以轉換成光功率，約是100毫瓦特[micron(μ)Watt(μW)]左右。但是由于LED的成本較低廉，因此常用于低價的應用中。常用于光通訊的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），後者的發光波長為1300納米左右，比砷化镓的810納米至870納米更适合用在光纖通訊。由于LED的頻譜範圍較廣，導緻色散較為嚴重，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的局域網路（localareanetwork,LAN），傳輸距離也在數公裡之内。目前也有LED内包含了數個量子井（quantumwell）的結構，使得LED可以發出不同波長的光，涵蓋較寬的頻譜，這種LED被廣泛應用在區域性的波長分波多工網絡中。

半導體雷射的輸出功率通常在100微瓦特（μW）左右，而且為同調性質的光源，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态色散（modeldispersion）。半導體雷射亦可在相當高的操作頻率下進行調變，原因是其複合時間（recombinationtime）非常短。

半導體雷射通常可由輸入的電流有無直接調變其開關狀态與輸出訊号，不過對于某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長的應用，雷射光源可能會以連續波（continuouswave）的形式控制，例如使用外接的電吸收光調變器（electroabsorptionmodulator）或是馬赫·任德幹涉儀（Mach-Zehnderinterferometer）對光訊号加以調變。外接的調變元件可以大幅減少雷射的“啁啾脈沖”（chirppulse）。啁啾脈沖會使得雷射的譜線寬度變寬，使得光纖内的色散變得嚴重。

光導纖維

光纖纜線包含一個核心（core），包層（cladding）以及外層的保護被複（protectivecoating）。核心與折射率（refractiveindex）較高的纖殼通常用高品質的矽石玻璃（silicaglass）制成，但是現在也有使用塑膠作為材質的光纖。又因為光纖的外層有經過紫外線固化後的壓克力（acrylate）被複，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或撞擊碰壓，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号在光纖内的衰減以及訊号變形，而解決的方式是利用光電轉換的中繼器。這種中繼器先将光訊号轉回電訊号放大後再轉換成較強的光訊号傳往下一個中繼器，然而這樣的系統架構無疑較為複雜，不适用于新一代的波長分波多工技術，同時每隔20公裡就需要一個中繼器，讓整個系統的成本也難以降低。

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

接收器

構成光接收器的主要元件是光偵測器（photodetector），利用光電效應将入射的光訊号轉為電訊号。光偵測器通常是半導體為基礎的光二極管（photodiode），例如p-n接面二極管、p-i-n二極管，或是雪崩型二極管（avalanchediode）。另外“金屬-半導體-金屬”（Metal-Semiconductor-Metal,MSM）光偵測器也因為與電路整合性佳，而被應用在光再生器（regenerator）或是波長分波多工器中。

光接收器電路通常使用轉阻放大器（transimpedenceamplifier,TIA）以及限幅放大器（limitingamplifier）處理由光偵測器轉換出的光電流，轉阻放大器和限幅放大器可以将光電流轉換成振幅較小的電壓訊号，再透過後端的比較器（comparator）電路轉換成數位訊号。對于高速光纖通訊系統而言，訊号常常相對地衰減較為嚴重，為了避免接收器電路輸出的數位訊号變形超出規格，通常在接收器電路的後級也會加上時脈恢複電路（clockrecovery,CDR）以及鎖相回路（phase-lockloop,PLL）将訊号做适度處理再輸出。

波長分波多工

波長分波多工的實際做法就是将光纖的工作波長分割成多個通道（channel），俾使能在同一條光纖内傳輸更大量的資料。一個完整的波長分波多工系統分為發射端的波長分波多工器（wavelengthdivisionmultiplexer）以及在接收端的波長分波解多工器（wavelengthdivisiondemultiplexer），最常用于波長分波多工系統的元件是陣列波導光栅（ArrayedWaveguideGratings,AWG）。而目前市面上已經有商用的波長分波多工器/解多工器，最多可将光纖通訊系統劃分成80個通道，也使得資料傳輸的速率一下子就突破Tb/s的等級。

帶寬距離乘積

由于傳輸距離越遠，光纖内的色散現象就越嚴重，影響訊号品質。因此常用于評估光纖通訊系統的一項指标就是帶寬-距離乘積，單位是百萬赫茲×公裡（MHz×km）。使用這兩個值的乘積做為指标的原因是通常這兩個值不會同時變好，而必須有所取舍（tradeoff）。舉例而言，一個常見的多模光纖（multi-modefiber）系統的帶寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個系統在一公裡内的訊号帶寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5公裡時，帶寬則可以倍增到1000MHz。

應用極限

雖然目前已經出現很多技術降低諸如色散之類的問題，也使得光纖通訊系統的容量已經達到14Tb/s以及160公裡的傳輸距離，仍然有些問題需要工程師與科學家的研究與克服。以下是這些問題的簡單讨論。

訊号色散

對于現代的玻璃光纖而言，最嚴重的問題并非訊号的衰減，而是色散問題，也就是訊号在光纖内傳輸一段距離後逐漸擴散重疊，使得接收端難以判别訊号的高或低。造成光纖内色散的成因很多。以模态色散為例，訊号的橫模（transversemode）軸速度（axialspeed）不一緻導緻色散，這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中，模态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-velocitydispersion），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，而光源所發射的光波不可能沒有頻譜的分布，這也造成了光波在光纖内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态色散（polarizationmodedispersion），起因是單模光纖内雖然一次隻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），而光纖内的任何結構缺陷與變形都可能讓這兩個極化方向的光波産生不一樣的傳遞速度，這又稱為光纖的雙折射現象（fiberbirefriigence）。這個現象可以透過極化恒持光纖（polarization-maintainingopticalfiber）加以抑制。

訊号衰減

訊号在光纖内衰減也造成光放大器成為光纖通訊系統所必需的元件。光波在光纖内衰減的主因有物質吸收、瑞立散射（Rayleighscattering）、米氏散射（Miescattering）以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收系數隻有0.03dB/km，但是光纖内的雜質仍然會讓吸收系數變大。其他造成訊号衰減的原因還包括應力對光纖造成的變形、光纖密度的微小擾動，或是接合的技術仍有待加強。

訊号再生

現代的光纖通訊系統因為引進了很多新技術降低訊号衰減的程度，因此訊号再生隻需要用于距離數百公裡遠的通訊系統中。這使得光纖通訊系統的建置費用與維運成本大幅降低，特别對于越洋的海底光纖而言，中繼器的穩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的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非線性現象。此外，光固子也是另外一項可以大幅降低長距離通訊系統中色散的關鍵技術。

最後一哩光纖網絡

雖然光纖網絡享有高容量的優勢，但是在達成普及化的目标，也就是“光纖到戶”（FiberToTheHome,FTTH）以及“最後一哩”（lastmile）的網絡布建上仍然有很多困難待克服。然而，随着網絡帶寬的需求日增，已經有越來越多國家逐漸達成這個目的。以日本為例，光纖網絡系統已經開始取代使用銅線的數位用戶回路系統。

與傳統通訊系統的比較

對于某個通訊系統而言，使用傳統的銅纜作為傳輸介質較好，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用，因為其具有低損耗、高容量，以及不需要太多中繼器等優點。光纖另外一項重要的優點是即使跨越長距離的數條光纖并列，光纖與光纖之間也不會産生串訊（cross-talk）的幹擾，這和傳輸電訊号的傳輸線（transmissionline）正好相反。