光纖通訊

光纖通訊是指一種利用光與光纖傳遞資訊的一種方式，屬於有線通訊的一種。光經過調變後便能攜帶資訊。自1980年代起，光纖通訊系統對於電信工業產生了革命性的作用，同時也在數位時代裡扮演非常重要的角色。光纖通訊具有傳輸容量大、保密性好等許多優點。光纖通訊線在已經成為當今最主要的有線通訊方式。將需傳送的資訊在傳送端輸入到傳送機中，將資訊疊加或調變到作為資訊訊號載體的載波上，然後將已調變的載波透過傳輸媒質傳送到遠處的接收端，由接收機解調出原來的資訊。根據訊號調變方式的不同，光纖通訊可以分為數位光纖通訊、類比光纖通訊。光纖通訊的產業包括了光纖電纜、光器件、光裝置、光通訊儀表、光通訊積體電路等多個領域。利用光纖做為通訊之用通常需經過下列幾個步驟：應用.光纖常被電話公司用於傳遞電話、網際網路，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#重定向從2000年光通訊市場崩潰後，光纖通訊的成本也不斷下探，目前已經和銅纜為骨幹的通訊系統不相上下。對於光纖通訊產業而言，1990年光放大器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25萬公里，每秒能攜帶的資料量超過2.56Tb，而且根據電信業者的統計，這些資料從2002年後仍然不斷的大幅成長中。歷史.自古以來，人類對於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年第一條同軸電纜的限制。到了二十世紀中葉，人們才瞭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，當時並沒有同調性高的發光源也被發明出來，並且憑藉著體積小的優勢而大量運用於光纖通訊系統中。1976年，第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通訊系統在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。經過五年的研發期，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奈米，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也在1980年代初期就發展出來，使用波長1300奈米的磷砷化鎵銦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將近四十倍之多。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，堪稱光通訊歷史上的一個里程碑似的事件，它使光纖通訊可直接進行光中繼，使長距離高速傳輸成為可能，並促使DWDM的誕生。第三代的光纖通訊系統改用波長1550奈米的雷射做光源，而且訊號的衰減已經低至每公里0.2分貝。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光放大器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於擴充套件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「C band」約是1530奈米至1570奈米之間，新一帶的無水光纖的概念，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，光纖通訊產業受到網際網路泡沫的影響而大幅成長。此外一些新興的網路應用，如影片點播所預期積體電路晶片中電晶體增加的速率。而自網際網路泡沫破滅至2006年為止，光纖通訊產業透過企業整併壯大規模，以及委外生產的方式降低成本來延續生命。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，連線不同的建築物。系統中還包括數種光放大器，以及一個光接收器將光訊號轉換回電訊號。在光纖通訊系統中傳遞的多半是數位訊號，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體的光。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藉著電激發光的結構，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路中。半導體雷射的輸出功率通常在100毫瓦特非常短。半導體雷射通常可由輸入的電流有無直接調變其開關狀態與輸出訊號，不過對於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。啁啾脈衝會使得雷射的譜線寬度變寬，使得光纖內的色散變得嚴重。光纖.光纖纜線包含一個纖芯被覆，可以如銅纜一樣埋藏於地下，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線需要十分精密的校準，所以折斷的光纖也難以重新接合。光通訊中主要使用多模、單模兩種光纖。多模光纖纖芯直徑更大，對發射機、聯結器的要求更高，但能夠搭建傳輸距離更長、效能更好的系統。單模和多模光纖都有不同的等級。光放大器.過去光纖通訊的距離限制主要根源於訊號在光纖內的衰減以及訊號變形，而解決的方式是利用光電轉換的中繼器。這種中繼器先將光訊號轉回電訊號放大後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複雜，不適用於新一代的。接收器.構成光接收器的主要元件是光偵測器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。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。系統引數.頻寬距離乘積.由於傳輸距離越遠，光纖內的色散現象就越嚴重，影響訊號品質。因此常用於評估光纖通訊系統的一項指標就是頻寬-距離乘積。舉例而言，一個常見的多模光纖系統的頻寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個系統在一公里內的訊號頻寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5公里時，頻寬則可以倍增到1000MHz。傳輸速率.每根光纖可以承載許多獨立的通道，每個通道使用不同波長的光。標準光纖.以下總結了目前使用標準電信級單模單芯光纖電纜的最新研究成果。特種光纖.以下總結了目前使用少模光纖等特種光纖進行空分複用完成的研究成果。訊號色散.對於現代的玻璃光纖而言，最嚴重的問題並非訊號的衰減，而是色散問題，也就是訊號在光纖內傳輸一段距離後逐漸擴散重疊，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，訊號的橫模不一致導致色散，這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中，模態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，通常稱為群速色散加以抑制。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。光波在光纖內衰減的主因有物質吸收、瑞利散射以及聯結器造成的損失。雖然石英的吸收係數只有0.03dB/km，但是光纖內的雜質仍然會讓吸收係數變大。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，或是接合的技術仍有待加強。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於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，特別對於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。這些突破對於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，光孤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。最後一里光纖網路.雖然光纖網路享有高容量的優勢，但是在達成普及化的目標，也就是「光纖到戶」的網路佈建上仍然有很多困難待克服。然而，隨著網路頻寬的需求日增，已經有越來越多國家逐漸達成這個目的。以韓國為例，光纖網路系統已經開始取代使用銅線的數位使用者迴路系統。與傳統通訊系統的比較.對於某個通訊系統而言，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。光纖通常用於高頻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並列，光纖與光纖之間也不會產生串訊正好相反。不過對於短距離與低頻寬的通訊應用而言，使用電訊號的傳輸有下列好處：因為這些好處，所以在很短的距離傳輸資訊，例如主機之間、電路板之間，甚至是積體電路晶片之間，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採光來傳遞資訊。在某些低頻寬的場合，光纖通訊仍然有其獨特的優勢：現行技術標準.為了能讓不同的光纖通訊裝置製造商之間有共通的標準，國際電信聯盟制定了數個與光纖通訊相關的標準，包括：其他關於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：此外，在數位音效的領域中，也有利用光纖傳遞資訊的規格，那就是由日本東芝作為媒介，系統中包含一個採用紅光LED的發射器以及整合了光偵測器與放大器電路的接收器。