光纤通讯

<image>

光纤通讯（fiber-optic communication）是指一种利用光与光纤（optical fiber/fibre）传递资讯的一种方式，属于有线通信的一种。光经过调变（modulation）后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的作用，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大、保密性好等许多优点。光纤通信线在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。

根据讯号调变方式的不同，光纤通讯可以分为数位光纤通讯、类比光纤通讯。光纤通讯的产业包括了光纤电缆、光器件、光装置、光通讯仪表、光通讯积体电路等多个领域。

利用光纤做为通讯之用通常需经过下列几个步骤：

- 以发射器（Transmitter）产生光讯号。
- 以光纤传递讯号，同时必须确保光讯号在光纤中不会衰减或严重变形。
- 以接收器（Receiver）接收光讯号，并且转换成电讯号。

## 应用

光纤常被电话公司用于传递电话、互联网，或是有线电视的讯号，有时候利用一条光纤就可以同时传递上述的所有讯号。与传统的铜线相比，光纤的讯号衰减(Attenuation)与遭受(Interference)的情形都改善很多，特别是长距离以及大量传输的使用场合中，光纤的优势更为明显。然而，在城市之间利用光纤的通讯基础建设(Infrastructure)通常施工难度以及材料成本难以控制，完工后的系统维运复杂度与成本也居高不下。因此，早期光纤通讯系统多半应用在长途的通讯需求中，这样才能让光纤的优势彻底发挥，并且抑制住不断增加的成本。

从2000年光通讯（Optical Communication）市场崩溃后，光纤通讯的成本也不断下探，目前已经和铜缆为骨干的通讯系统不相上下。

对于光纤通讯产业而言，1990年光放大器（Optical Amplifier）正式进入商业市场的应用后，很多超长距离的光纤通讯才得以真正实现，例如越洋的海底电缆。到了2002年时，越洋海底电缆的总长已经超过25万公里，每秒能携带的资料量超过2.56Tb，而且根据电信业者的统计，这些数据从2002年后仍然不断的大幅成长中。

## 历史

自古以来，人类对于长距离通讯的需求就不曾稍减。随着时间的前进，从烽火到电报，再到1940年第一条同轴电缆（coaxial cable）正式服役，这些通讯系统的复杂度与精细度也不断的进步。但是这些通讯方式各有其极限，使用电气讯号传递资讯虽然快速，但是传输距离会因为电气讯号容易衰减而需要大量的中继器（repeater）；微波（microwave）通讯虽然可以使用空气做介质，可是也会受到载波频率（carrier frequency）的限制。到了二十世纪中叶，人们才了解使用光来传递资讯，能带来很多过去所没有的显著好处。

然而，当时并没有同调性高的发光源（coherent light source），也没有适合作为传递光讯号的介质，也所以光通讯一直只是概念。直到1960年代，激光（laser）的发明才解决第一项难题。1970年代康宁公司（Corning Glass Works）发展出高品质低衰减的光纤则是解决了第二项问题，此时讯号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通讯之父高锟所提出的每公里衰减20分贝（20dB/km）关卡，证明光纤作为通信介质的可能性。与此同时使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光（semiconductor laser）也被发明出来，并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通讯系统中。1976年，第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。

经过五年的研发期，第一个商用的光纤通讯系统在1980年问市。这个人类史上第一个光纤通讯系统使用波长800奈米（nanometer）的砷化镓激光作为光源，传输的速率（data rate）达到45Mb/s（bits per second），每10公里需要一个中继器增强讯号。

第二代的商用光纤通讯系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300奈米的磷砷化镓铟（InGaAsP）激光。早期的光纤通讯系统虽然受到色散（dispersion）的问题而影响了讯号品质，但是1981年单模光纤（single-mode fiber）的发明克服了这个问题。到了1987年时，一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通讯系统的速率快将近四十倍之多。同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。1980年代末，EDFA的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑似的事件，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使DWDM的诞生。

第三代的光纤通讯系统改用波长1550奈米的激光做光源，而且讯号的衰减已经低至每公里0.2分贝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化镓铟激光的光纤通讯系统常常遭遇到脉波延散（pulse spreading）问题，而科学家则设计出色散迁移光纤（dispersion-shifted fiber）来解决这些问题，这种光纤在传递1550奈米的光波时，色散几乎为零，因其可将激光光的光谱限制在单一纵模（longitudinal mode）。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100公里远。

第四代光纤通讯系统引进光放大器（optical amplifier），进一步减少中继器的需求。另外，波分复用（wavelength-division multiplexing, WDM）技术则大幅增加传输速率。这两项技术的发展让光纤通讯系统的容量以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率，足足是80年代光纤通讯系统的200倍之多。近年来，传输速率已经进一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一个中继器。

第五代光纤通讯系统发展的重心在于扩展波长分波多工器的波长操作范围。传统的波长范围，也就是一般俗称的“C band”约是1530奈米至1570奈米之间，新一带的无水光纤（dry fiber）低损耗的波段则延伸到1300奈米至1650奈米间。另外一个发展中的技术是引进光孤子（optical soliton）的概念，利用光纤的非线性效应，让脉波能够抵抗色散而维持原本的波形。

1990年至2000年间，光纤通讯产业受到互联网泡沫的影响而大幅成长。此外一些新兴的网络应用，如视频点播（video on demand）使得互联网带宽的成长甚至超过摩尔定律（Moore's Law）所预期积体电路芯片中晶体管增加的速率。而自互联网泡沫破灭至2006年为止，光纤通讯产业透过企业整并壮大规模，以及委外生产的方式降低成本来延续生命。

## 核心技术

现代的光纤通讯系统多半包括一个发射器，将电讯号转换成光讯号，再透过光纤将光讯号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光讯号转换回电讯号。在光纤通讯系统中传递的多半是数字信号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

### 发射器

在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是激光二极管（laser diode）。LED与激光二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性（noncoherent），而后者则为同调性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。

LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在300奈米至600奈米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的40~50%可以转换成光功率，消耗功率约 50~60 mW（milliwatt）左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），后者的发光波长为1300奈米左右，比砷化镓的810奈米至870奈米更适合用在光纤通讯。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网络（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。目前也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波长分波多工网络中。

半导体激光的输出功率通常在100毫瓦特（milliwatt）左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。激光的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（modal dispersion）。半导体激光亦可在相当高的操作频率下进行调变，原因是其复合时间（recombination time）非常短。

半导体激光通常可由输入的电流有无直接调变其开关状态与输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，激光光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的电吸收光调变器或是马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光讯号加以调变。外接的调变元件可以大幅减少激光的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得激光的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

### 光纤

光纤缆线包含一个纤芯（core），纤壳（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃（silica glass）制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的丙烯酸聚合物（acrylate polymer）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

光通信中主要使用多模、单模两种光纤。多模光纤纤芯直径更大（≥50微米），对发射机、连接器的要求更低。然而，多模光纤引入了多模色散，这会限制系统的带宽和长度。此外，由于有更高的杂质含量，多模光纤通常会有更高的衰减。单模光纤的纤芯直径较小（<10微米），对发射机、连接器的要求更高，但能够搭建传输距离更长、性能更好的系统。单模和多模光纤都有不同的等级。

多模光纤 FDDI 62,5/125 µm(1987)｜多模光纤 OM1 62,5/125 µm(1989)｜多模光纤 OM2 50/125 µm(1998)｜多模光纤 OM3 50/125 µm(2003)｜多模光纤 OM4 50/125 µm(2008)｜多模光纤 OM550/125 µm(2016)｜单模光纤 OS19/125 µm(1998)｜单模光纤OS29/125 µm(2000)

160 MHz·km@850 nm｜200 MHz·km@850 nm｜500 MHz·km@850 nm｜1500 MHz·km@850 nm｜3500 MHz·km@850 nm｜3500 MHz·km@850 nm &1850 MHz·km@950 nm｜1 dB/km@1300/1550 nm｜0.4 dB/km@1300/1550 nm

### 光放大器

过去光纤通讯的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的。

### 接收器

构成光接收器的主要元件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光电二极管（photodiode），例如pn结、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波长分波多工器中。

光接收器电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数字信号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数字信号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉及资料回复电路（CDR）以及锁相回路（phase-locked loop, PLL）将讯号做适度处理再输出。

### 波长分波多工

波长分波多工的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道（channel），俾使能在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波长分波多工系统分为发射端的波长分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波长分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波长分波多工系统的元件是阵列波导光栅（AWG）。而目前市面上已经有商用的波长分波多工器/解多工器，最多可将光纤通讯系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。

## 系统参数

### 带宽距离乘积（BL积）

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积（BL积），单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指标的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍（trade off）。举例而言，一个常见的多模光纤系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km，代表这个系统在一公里内的讯号带宽可以到500MHz，而如果距离缩短至0.5公里时，带宽则可以倍增到1000MHz。

### 传输速率

每根光纤可以承载许多独立的通道，每个通道使用不同波长的光（波分复用）。每条光纤的净数据速率（没有开销字节的数据速率）是每通道数据速率减少了FEC开销，乘以信道数量（截至2008年，商用密集WDM系统通常高达80个）。

#### 标准光纤

以下总结了目前使用标准电信级单模单芯光纤电缆的最新研究成果。

年｜机构｜系统传输速率｜WDM信道数｜单信道传输速率｜传输距离

2009｜阿尔卡特朗讯｜15.5 Tbit/s｜155｜100 Gbit/s｜7000 km

2010｜NTT｜69.1 Tbit/s｜432｜171 Gbit/s｜240 km

2011｜NEC｜101.7 Tbit/s｜370｜273 Gbit/s｜165 km

2011｜卡尔斯鲁厄理工学院｜26 Tbit/s｜>300｜50 km

2016｜英国电信和华为｜5.6 Tbit/s｜28｜200Gb/s｜circa 140 km ?

2016｜贝尔实验室、德国电信T-Labs和慕尼黑工业大学（第一个接近香农理论极限的成果）｜1 Tbit/s｜1｜1Tb/s

2016｜诺基亚网络｜65 Tbit/s｜6600 Km

2017｜英国电信和华为｜11.2 Tbit/s｜28｜400 Gb/s｜250 Km

#### 特种光纤

以下总结了目前使用少模光纤等特种光纤进行空分复用完成的研究成果。

年｜机构｜系统传输速率｜模式数量｜纤芯数量｜单芯WDM信道数｜单信道传输速率｜传输距离

2011｜NICT｜109.2 Tbit/s｜7

2012｜NEC, 康宁公司｜1.05 Pbit/s｜12｜52.4 km

2013｜南安普顿大学｜73.7 Tbit/s｜1 （空芯光纤）｜3x96(模式DM)｜256 Gb/s｜310 m

2014｜丹麦技术大学｜43 Tbit/s｜7｜1045 km

2014｜艾恩德霍芬理工大学和中佛罗里达大学｜255 Tbit/s｜7｜50｜~728 Gb/s｜1 km

2015｜NICT、住友电气和RAM光子｜2.15 Pbit/s｜22｜402 (C+L波段)｜243 Gb/s｜31 km

2017｜NTT｜1 Pbit/s｜单模｜32｜46｜680 Gb/s｜205.6 Km

2017｜KDDI住友电气｜10.16 Pbit/s｜6模｜19｜739 (C+L波段)｜120 Gb/s｜11.3 Km

2018｜NICT｜159 Tbit/s｜3模｜1｜348｜414 Gb/s｜1045 km

### 讯号色散

对于现代的玻璃光纤而言，最严重的问题并非讯号的衰减，而是色散问题，也就是讯号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠，使得接收端难以判别讯号的高或低。造成光纤内色散的成因很多。以模态色散为例，讯号的横模（transverse mode）轴速度（axial speed）不一致导致色散，这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中，模态间的色散可以被压抑得很低。

但是在单模光纤中一样有色散问题，通常称为群速色散（group-velocity dispersion），起因是对不同波长的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布，这也造成了光波在光纤内部会因为波长的些微差异而有不同的折射行为。另外一种在单模光纤中常见的色散称为偏振态色散（polarization mode dispersion），起因是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波，但是这个横模的光波却可以有两个方向的偏振（polarization），而光纤内的任何结构缺陷与变形都可能让这两个偏振方向的光波产生不一样的传递速度，这又称为光纤的双折射现象（fiber birefringence）。这个现象可以透过偏振保持光纤（polarization-maintaining optical fiber）加以抑制。

### 讯号衰减

讯号在光纤内衰减也造成光放大器成为光纤通讯系统所必需的元件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞利散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及连接器造成的损失。虽然石英的吸收系数只有0.03dB/km，但是光纤内的杂质仍然会让吸收系数变大。其他造成讯号衰减的原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动，或是接合的技术仍有待加强。

### 讯号再生

现代的光纤通讯系统因为引进了很多新技术降低讯号衰减的程度，因此讯号再生只需要用于距离数百公里远的通讯系统中。这使得光纤通讯系统的建置费用与维运成本大幅降低，特别对于越洋的海底光纤而言，中继器的稳定度往往是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非线性现象。此外，光孤子也是另外一项可以大幅降低长距离通讯系统中色散的关键技术。

### 最后一里光纤网络

虽然光纤网络享有高容量的优势，但是在达成普及化的目标，也就是“光纤到户”（Fiber To The Home, FTTH）以及“最后一里”（last mile）的网络布建上仍然有很多困难待克服。然而，随着网络带宽的需求日增，已经有越来越多国家逐渐达成这个目的。以韩国为例，光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数位用户回路系统。

## 与传统通讯系统的比较

对于某个通讯系统而言，使用传统的铜缆作为传输介质较好，或是使用光纤较佳，有几项考量的重点。光纤通常用于高带宽以及长距离的应用，因为其具有低损耗、高容量，以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一项重要的优点是即使跨越长距离的数条光纤并列，光纤与光纤之间也不会产生串扰（cross-talk）的干扰，这和传输电讯号的传输线（transmission line）正好相反。

不过对于短距离与低带宽的通讯应用而言，使用电讯号的传输有下列好处：

- 较低的建置费用
- 组装容易
- 可以利用电力系统传递资讯

因为这些好处，所以在很短的距离传输资讯，例如主机之间、电路板之间，甚至是积体电路芯片之间，通常还是使用电讯号传输。然而目前也有些还在实验阶段的系统已经改采光来传递资讯。

在某些低带宽的场合，光纤通讯仍然有其独特的优势：

- 能抵抗电磁干扰（EMI），包括核子造成的电磁脉冲。（不过光纤可能会毁于α或β射线）
- 对电讯号的阻抗极高，所以能在高电压或是地面电位不同的状况下安全工作。
- 重量较轻，这在飞机中特别重要。
- 不会产生火花，在某些易燃的环境中显得重要。
- 没有电磁辐射、不易被窃听，对于需要高度安全的系统而言十分重要。
- 线径小，当绕线的路径被限制时，变得重要。

## 现行技术标准

为了能让不同的光纤通讯设备制造商之间有共通的标准，国际电信联盟（International Telecommunications Union, ITU）制定了数个与光纤通讯相关的标准，包括：

- ITU-T G.651, 用于光接入网的50/125 µm多模渐变折射率光纤和光缆的特性
- ITU-T G.652, 单模光纤和光缆的特性
- ITU-T 6.653, 色散移位的单模光纤和光缆的特性
- ITU-T 6.654, 截止移位的单模光纤和光缆的特性
- ITU-T 6.655, 非零色散移位的模光纤和光缆的特性
- ITU-T 6.656, 宽带光传输非零色散的光纤和光缆的特性
- ITU-T 6.657, 用于接入网的弯曲损耗不敏感的光纤和光缆的特性

其他关于光纤通讯的标准则规定了发射与接收端，或是传输介质的规格，包括了：

- 10G以太网路（10 Gigabit Ethernet）
- 光纤分散式数据界面（FDDI）
- 光纤通道（Fibre channel）
- HIPPI
- 同步数位阶层（Synchronous Digital Hierarchy）
- 同步光纤网络（Synchronous Optical Networking）

此外，在数位音效的领域中，也有利用光纤传递资讯的规格，那就是由日本东芝（Toshiba）所制定的TOSLINK规格。采用塑胶光纤（POF）作为媒介，系统中包含一个采用红光LED的发射器以及整合了光侦测器与放大器电路的接收器。

## 参考资料

- Encyclopedia of Laser Physics and Technology
- Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn

## 外部链接

- How Fiber-optics work (Howstuffworks.com)
- The Laser and Fiber-optic Revolution
- Fiber Optics, from Hyperphysics at Georgia State University
- "Understanding Optical Communications" - An IBM redbook