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光纖通訊
發布時間:2018-06-15 瀏覽次數:0

光纖通訊

光纖通訊(Fiber-optic communication)也稱光纖通信,是指一種利用光與光纖(optical fiber)傳遞資訊的方式。屬于有線通信的一種。光經過調變(modulation)后便能攜帶資訊。自1980年代起,光纖通訊系統對于電信工業產生了革命性的影響 财富彩票手机客户端,同時也在數位時代里扮演非常重要的角色。光纖通信傳輸容量大,保密性好等優點。光纖通信現在已經成為當今最主要的有線通信方式。將需傳送的信息在發送端輸入到發送機中,將信息疊加或調制到作為信息信號載體的載波上财富彩票手机客户端,然后將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。

2009諾貝爾物理學獎得主、前香港中文大學校長高錕教授為光纖通訊領域的先驅,被譽為光纖之父 [1-2] 。

歷史發展

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)正式服役财富彩票手机客户端,這些通訊系統的復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,可是也會受到載波頻率(carrier frequency)的限制。到了二十世紀中葉财富彩票手机客户端,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,當時并沒有同調性高的發光源(coherent light source),也沒有適合作為傳遞光訊號的介質,所以光通訊一直只是概念。直到1960年代,雷射(laser)的發明才解決了第一項難題。1970 年后康寧公司Corning Glass Works)發展出高品質低衰減的光纖則是解決了第二項問題财富彩票手机客户端,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)關卡,證明了光纖作為通信介質的可能性。與此同時使用砷化鎵(GaAs)作為材料的半導體雷射(semiconductor laser)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年财富彩票手机客户端,第一條速率為44.7Mbit/s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)的砷化鎵雷射作為光源,傳輸的速率(data rate)達到45Mb/sbits per second),每10公里需要一個中繼器增強訊號财富彩票手机客户端。

第二代的商用光纖通訊系統也在1980年后發展出來,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雖然受到色散(dispersion)的問題而影響了訊號品質。但是1981年單模光纖(single-mode fiber)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將近四十倍之譜。同時傳輸的功率與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财富彩票手机客户端,并促使了DWDM的誕生财富彩票手机客户端。

第三代的光纖通訊系統改用波長1550納米的雷射做光源,而且訊號的衰減已經低至每公里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常常遭遇到脈波延散(pulse spreading)問題,而科學家則設計出色散遷移光纖(dispersion-shifted fiber)來解決這些問題,這種光纖在傳遞1550納米的光波時,色散幾乎為零财富彩票手机客户端,因其可將雷射光的光譜限制在單一縱模(longitudinal mode)內。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公里遠。

第四代光纖通訊系統引進了光放大器(optical amplifier)财富彩票手机客户端财富彩票手机客户端,進一步減少中繼器的需求财富彩票手机客户端。另外,波長分波多工器(wavelength-division multiplexing, 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公里才需要一個中繼器。

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范圍。傳統的波長范圍,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。另外一個發展中的技術是引進光固子(optical soliton)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,光纖通訊產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,如隨選視訊(video on demand)使得因特網帶寬的成長甚至超過摩爾定律(Moore''''s Law)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,光纖通訊產業透過企業整并壯大規模,以及委外生產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號通訊系統财富彩票手机客户端,當然,這還有很長的路要走。 [3]

核心技術

現代的光纖通訊系統多半包括一個發射器,將電訊號轉換成光訊號,再透過光纖將光訊號傳遞。光纖多半埋在地下财富彩票手机客户端,連接不同的建筑物。系統中還包括數種光放大器财富彩票手机客户端,以及一個光接收器將光訊號轉換回電訊號财富彩票手机客户端。在光纖通訊系統中傳遞的多半是數位訊號,來源包括電腦财富彩票手机客户端、電話系統,或是有線電視系統。 [3]

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-emitting diode, LED)或是雷射二極管(laser diode)财富彩票手机客户端。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),而后者則為同調性(coherent)的光。使用半導體作為光源的好處是體積小、發光效率高财富彩票手机客户端、可靠度佳,以及可以將波長最佳化,更重要的是半導體光源可以在高頻操作下直接調變,非常適合光纖通訊系統的需求。

LED借著電激發光(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,通常只有輸入功率的1%可以轉換成光功率财富彩票手机客户端,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主要材料是砷化鎵或是砷化鎵磷(GaAsP),后者的發光波長為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/s100Mb/s的局域網路(local area network, LAN),傳輸距離也在數公里之內。目前也有LED內包含了數個量子井(quantum well)的結構财富彩票手机客户端,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態色散(model dispersion)。半導體雷射亦可在相當高的操作頻率下進行調變,原因是其復合時間(recombination time)非常短。

半導體雷射通??捎奢斎氲碾娏饔袩o直接調變其開關狀態與輸出訊號,不過對于某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長的應用,雷射光源可能會以連續波(continuous wave)的形式控制,例如使用外接的電吸收光調變器(electroabsorption modulator)或是馬赫·任德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)對光訊號加以調變财富彩票手机客户端。外接的調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财富彩票手机客户端,使得光纖內的色散變得嚴重。 [3]

光導纖維

光纖纜線包含一個核心(core),包層(cladding)以及外層的保護被覆(protective coating)。核心與折射率(refractive index)較高的纖殼通常用高品質的硅石玻璃(silica glass)制成财富彩票手机客户端,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后的壓克力(acrylate)被覆财富彩票手机客户端,可以如銅纜一樣埋藏于地下财富彩票手机客户端,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财富彩票手机客户端,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。 [3]

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的衰減以及訊號變形财富彩票手机客户端,而解決的方式是利用光電轉換的中繼器。這種中繼器先將光訊號轉回電訊號放大后再轉換成較強的光訊號傳往下一個中繼器,然而這樣的系統架構無疑較為復雜,不適用于新一代的波長分波多工技術财富彩票手机客户端,同時每隔20公里就需要一個中繼器,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號。光放大器的原理是在一段光纖內摻雜(doping)稀土族元素(rare-earth)如鉺(erbium),再以短波長雷射激發(pumping)之。如此便能放大光訊號,取代中繼器。 [3]

接收器

構成光接收器的主要元件是光偵測器(photodetector),利用光電效應將入射的光訊號轉為電訊號财富彩票手机客户端。光偵測器通常是半導體為基礎的光二極管(photo diode),例如p-n接面二極管财富彩票手机客户端、p-i-n二極管,或是雪崩型二極管(avalanche diode)。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(transimpedence amplifier, TIA)以及限幅放大器(limiting amplifier)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將光電流轉換成振幅較小的電壓訊號,再透過后端的比較器(comparator)電路轉換成數位訊號。對于高速光纖通訊系統而言财富彩票手机客户端,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位訊號變形超出規格,通常在接收器電路的后級也會加上時脈恢復電路(clock recovery, CDR)以及鎖相回路(phase-lock loop, PLL)將訊號做適度處理再輸出。 [3]

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(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的元件是陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Gratings, AWG)。而目前市面上已經有商用的波長分波多工器/解多工器,最多可將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。 [3]

帶寬距離乘積

由于傳輸距離越遠,光纖內的色散現象就越嚴重,影響訊號品質。因此常用于評估光纖通訊系統的一項指標就是帶寬-距離乘積财富彩票手机客户端,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)系統的帶寬-距離乘積約是500MHz×km,代表這個系統在一公里內的訊號帶寬可以到500MHz,而如果距離縮短至0.5公里時,帶寬則可以倍增到1000MHz。 [3]

應用

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)產生光訊號财富彩票手机客户端。

以光纖傳遞訊號,同時必須確保光訊號在光纖中不會衰減是嚴重變形。

以接收器(receiver)接收光訊號,并且轉換成電訊號。 [4]

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的使用場合中财富彩票手机客户端,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,完工后的系統維運復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。

2000年光通訊(optical communication)市場崩潰后财富彩票手机客户端,光纖通訊的成本也不斷下探财富彩票手机客户端,已經和銅纜為骨干的通訊系統不相上下。

對于光纖通訊產業而言,1990光放大器optical amplifier)正式進入商業市場的應用后,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财富彩票手机客户端。到了2002年時,越洋海底電纜的總長已經超過250000公里,每秒能攜帶的資料量超過2.56Tb,而且根據電信業者的統計财富彩票手机客户端,這些數據從2002年后仍然不斷的大幅成長中。 [4]

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公里的傳輸距離,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討論。

訊號色散

對于現代的玻璃光纖而言,最嚴重的問題并非訊號衰減,而是色散問題,也就是訊號在光纖內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。造成光纖內色散的成因很多。以模態色散為例财富彩票手机客户端,訊號的橫模transverse mode)軸速度(axial speed)不一致導致色散财富彩票手机客户端,這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中财富彩票手机客户端,模態間的色散可以被壓抑得很低财富彩票手机客户端。

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色散(polarization mode dispersion),起因是單模光纖內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),而光纖內的任何結構缺陷與變形都可能讓這兩個極化方向的光波產生不一樣的傳遞速度财富彩票手机客户端,這又稱為光纖的雙折射現象(fiber birefriigence)。這個現象可以透過極化恒持光纖(polarization-maintaining optical fiber)加以抑制财富彩票手机客户端。 [4]

訊號衰減

訊號在光纖內衰減也造成光放大器成為光纖通訊系統所必需的元件财富彩票手机客户端。光波在光纖內衰減的主因有物質吸收、瑞立散射(Rayleigh scattering)、米氏散射(Mie scattering)以及連接器造成的損失财富彩票手机客户端。雖然石英的吸收系數只有0.03dB/km,但是光纖內的雜質仍然會讓吸收系數變大。其他造成訊號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财富彩票手机客户端,或是接合的技術仍有待加強。 [4]

訊號再生

現代的光纖通訊系統因為引進了很多新技術降低訊號衰減的程度,因此訊號再生只需要用于距離數百公里遠的通訊系統中。這使得光纖通訊系統的建置費用與維運成本大幅降低,特別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财富彩票手机客户端,足以降低色散造成的非線性現象财富彩票手机客户端。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。 [4]

最后一哩

雖然光纖網絡享有高容量的優勢,但是在達成普及化的目標,也就是光纖到戶Fiber To The Home, FTTH)以及最后一哩last mile)的網絡布建上仍然有很多困難待克服。然而,隨著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财富彩票手机客户端。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。 [4]

與傳統的比較

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,或是使用光纖較佳财富彩票手机客户端,有幾項考量的重點财富彩票手机客户端。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產生串訊(cross-talk)的干擾,這和傳輸電訊號的傳輸線(transmission line)正好相反。 [4]

電訊號的好處

不過對于短距離與低帶寬的通訊應用而言,使用電訊號的傳輸有下列好處:較低的建置費用;組裝容易财富彩票手机客户端;可以利用電力系統傳遞資訊。

因為這些好處财富彩票手机客户端,所以在很短的距離傳輸資訊,例如主機之間、電路板之間财富彩票手机客户端,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已經改采光來傳遞資訊财富彩票手机客户端。

在某些低帶寬的場合,光纖通訊仍然有其獨特的優勢:

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αβ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,這在飛機中特別重要财富彩票手机客户端。

不會產生火花,在某些易燃的環境中顯得重要。

沒有電磁輻射、不易被竊聽,對于需要高度安全的系統而言十分重要财富彩票手机客户端。

線徑小,當繞線的路徑被限制時,變得重要。 [4] 光纖通訊

現行技術標準

為了能讓不同的光纖通訊設備制造商之間有共通的標準,國際電信聯盟(International Telecommunications Union, ITU)制定了數個與光纖通訊相關的標準,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"

其他關于光纖通訊的標準則規定了發射與接收端,或是傳輸介質的規格,包括了:

10G以太網路(10 Gigabit Ethernet

光纖分布式數據接口(FDDI

光纖通道(Fibre channel

HIPPI

同步數位階層(Synchronous Digital Hierarchy

同步光纖網絡(Synchronous Optical Networking

此外,在數位音效的領域中,也有利用光纖傳遞資訊的規格,那就是由日本東芝(Toshiba)所制定的TOSLINK規格。采用塑膠光纖(plastic optical fiber, POF)作為媒介,系統中包含一個采用紅光LED的發射器以及整合了光偵測器與放大器電路的接收器。 [4]


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