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CTIMES / 文章 / 光纤通信硬件概论（上）   【作者： 高士】2004年10月05日 星期二 浏览人次：【17353】 光纤除了可作为因特网高速数据存取的线路之外，还可以应用于其它领域，例如光纤到府（Fiber To The Home；FTTH）或影像传输等等。其实利用光纤进行通信的构想，早在50年代就曾被提出，不过当时通信用高透明玻璃的制作技术，与发光/收光组件等周边技术还不成熟，使得光纤通信始终无法实用化，直到70年代美国康宁发表传输损失为20dB/km的光纤之后，光纤通信与半导体雷射才正式开始商业化的应用研究，90年代更快速成为生活中的一部份，有鉴于此本文将详细介绍有关光纤通信的硬件结构。 光通信的发展经纬 早期的光纤属于多模光纤（Multi Mode Fiber；MMF），由于导通光线core部位的折射率为一定值，因此多模光纤又称为SI型光纤（Step Index Type Fiber），折射率呈二次方分布的光纤则称为GI型光纤（Grated Index Type Fiber）。早期光源的波长虽然只有850nm左右，不过传输损损失却高达2.5dB/km，相较之下90年代波长为1300nm的传输损失只有0.5dB/km。1300nm最大缺点是发光组件的价格非常昂贵，由于1300nm是继850nm之后第二个实用化光源，所以称为「second window」，接着问世的1550nm光源则称为「third window」。由于GI型光纤属于多模光纤，因此若与单模光纤（Single Mode Fiber；SMF）比较时，就会发生所谓的传输带宽极限等问题。带宽1300nm的单模光纤，在1310nm波长时具有波长分散等于0的特征，由此可知虽然光纤可作高速传输，不过光纤本身也有所谓的「分散」困扰，使得传输速度受到一定的限制。由于1310nm的光源分散是0，因此很快就成为市场主流。 如(图一)的loss spectre特性图可知，事实上1550nm的波长是光纤传输损失最小的频率范围。过去1550nm的光纤传输受到1380nm OH离子（不纯水份）吸收损失的影响，导致1550nm的光纤传输损失非常高，不过最近已经大幅降低吸收损失，OH离子的吸收也接近0左右，因此1550nm的波长才进入实用化阶段，而光纤也能在宽带领域中达成高速传输的要求。一般而言传输损失以1550nm最小，波长分散则以1310nm的零分散最小，为弥补上述两波长的缺点，所以将零分散波长shift至1550nm领域，进而制成分散shift型光纤DSF。此外由于波长为1550nm的半导体雷射二极管（Laser Diode；LD）与高速变调器的开发，因此目前1Gbps的信号大约可传输100km左右。 《图一 光纤的loss spectre特性（单模光纤）》 光的特性 基本上光属于波长极短的电磁波，真空中光的速度为30万km/sec（2.998×108m/sec），光线在水中与空气中的速度因为有介质折射率的影响，所以会比真空中的速度稍慢。(图二)是SI型光纤的构造，(图三)是各种光纤进行光传输的差异。图中光通过部位称为蕊芯（core），反射光线的部位称为包覆层（clad layer）。 《图三 各种光纤进行光传输的差异》 光纤的分类 石英光纤 大部份的通信用光纤，它的core与clad层都是石英玻璃制成。由于石英光纤容易断裂，所以再用塑料包覆clad层，藉此强化光纤的强度。core与clad层两者的折射率略有差异，因此GI型光纤的core中心附近，光线的传输速度较慢，外围部份的光线速度较快，折射率则是呈二次方分布，换句话说GI型光纤是藉此方法降低core与clad层两者的折射率差异。 Hard Polymer Clad Fiber（HPCF） HPCF的core是用石英玻璃制成，clad层的材质则为Hard Polymer，为了传输光线因此clad层再用折射率比石英玻璃更低的Polymer包覆。 塑料光纤 塑料光纤的core与clad层都是用塑料制成，塑料光纤主要是应用在短距离传输与音响设备之间的连接。短距离通信用塑料光纤的core与clad，则分别由不同的塑料材料所制成。 中空光纤 虽然某些中央部位成中空状的中空光纤，结构上与导波管很类似，但是一般所谓的中空光纤并非如此结构。 石英光纤的基本特性 单模（single mode）光纤与多模（multi mode）光纤 光纤传递光线的路径称为mode，传输路径只有一条者称为单模光纤（single mode fiber）；传输路径有二条以上者称为多模光纤（multi mode fiber）；如果光线传递路径连一条都没有时，称为「cut off状」，这种情况当然无法传递光线。 损失（衰减量）与光能（power） 基本上光线并无电压、电流等物理概念，通常是以输入后的光能（power）衰减量表示损失。损失的单位是dB（decibel），光能（power）则以「W」或是dBm表示，例如0dBm＝1mW。 分散 如(图四)所示光的脉冲（pulse）随着时间扩散称为「分散」，一般而言光纤的长度越长分散越大。光脉冲若发生扩散会造成扩散前后的脉冲重合，最后导致无法判别有无脉冲的窘境。由于分散的多寡取决于通信速度，因此分散特性与通信速度两者成互动关系，而且分散对高速光通信具有决定性的影响。 《图四 分散造成光脉冲扩散》 mode分散 由于多模光纤具有复数条光线传输路径，因此会在射出端合成成为传输路径相异（传输时间相异）的光线，其结果造成光脉冲更加分散；相较之下单模光纤的光线传输路径只有一条，所以没有mode分散的困扰。 材料分散与构造分散 所谓的材料分散与构造分散，主要是由构成光纤的材料与结构差异造成的分散现象。如(图五)所示单模光纤的材料分散与构造分散，会在1310nm附近相互抵销变成0。分散shift型光纤（DSF）无法利用材质调整分散，因此需改变构造使材料分散与构造分散两者能在1310nm附近相互抵销变成0。 《图五 单模光纤的材料分散、构造分散与波长分散》 波长分散 (图六)是1550nm波长，零分散shift型光纤的波长分散特性。光通信使用的LD与LED等光源，在发光频谱（spectre）中具有一定的宽度，虽然光源型录上都会记载发光组件的半值幅宽，不过光纤的传输速度会随着波长改变，换句话说如果使用频谱较大的光源时，会使射出脉冲变大。由于频谱的单位是波长，脉冲扩散的单位是时间，因此这种分散称为「波长分散」。图五与图六分别表示光纤在ps（picot秒）单位时间内，1nm光源每公里（km）的分散大小。长距离光通信通常是使用LD当光源，主要理由除了输出power的考虑之外，例如使用半值幅较小的DFB雷射作为光源，还可利用它的波长分散特性抑制脉冲扩散现象。 《图六 1550nm零分散shift type光纤的波长分散特性》 高速长距离传输特性 高速长距离传输除了需要降低传输损失之外，还需设法抑制波形变形等问题，尤其是越洋海底光纤，甚至需要考虑类似单模偏波状态所衍生的偏波mode分散（PMD），因为即使是微量的分散，由于光纤长度长达数千公里，累积后会形成相当可观的分散量，进而对传输特性造成不良影响，换句话说高速长距离传输时，光纤的分散特性比传输损失更受到重视。 光通信基本组件 光学连接器 使用光通信设备或是光量测仪，以及各种光学模块时，通常会以光学连接器（connector）作为与光纤连接的接口。(图七)是FC type与SC type光学连接器的外观。由于光纤与同轴电缆不同，所以光学连接器通常是与光纤成模块状贩卖。选用光学连接器除了需考虑匹配性之外，反射率（反射衰减量）也是重要项目之一。(图八)是研磨的差异造成连接器产生不同的反射率差；(图九)是光学连接器常用的研磨方式；(表一)是研磨方式与光学特性统计，由表一可知所谓的反射率，基本上是研磨方式的差异所造成。所谓反射是指光线从连接器端面折返光纤的现象而言，反射率越高代表LD的发振越不稳定，若变成多重反射时甚至会造成影像信号出现鬼影（ghost）与噪声，尤其是传输模拟影像时更需注意上述问题。此外连接器端面若有油垢、粉尘，会导致传输损失增加，因此使用前务必将连接器端面擦拭干净。 《图七 光学连接器的外观》 《图八 光学连接器的研磨种类，可显示连接器不同的研磨方式与反射率的差异》 《表一 光学连接器的研磨方法与光学特性》 光学Isolator 所谓光学Isolator是指能让光线单向通行，阻隔逆向光通行的光学组件而言。(图十)是光学Isolator的动作原理；(图十一)是光学Isolator的外观。由图十可知光学Isolator是将光的偏光分解成两个直线偏光，接着利用法拉第（Faraday）旋转器使两个直线偏光旋转45°，之后再使两偏光进行合成，其结果是从逆向射入的光线会被旋转90°，再经过偏光组件的组合就无法继续朝前方行进。 一 《图十一 光学Isolator的外观》

光纤耦合器

光纤耦合器（optical fiber coupler）主要用途是使光线分歧或是分波。虽然还有其它方法可以达成相同效果，不过以光纤耦合器的结构最简易成本最低廉。图(十二)是光纤耦合器的构成图；(图十三)是光纤耦合器的外观图。基本上光纤耦合器是将两条光纤平行置放加热，平行部位变成一体化后再将它拉伸即可。

《图十三 光纤耦合器的外观图》

分歧耦合器（coupler）

分歧耦合器主要功能是使输入光维持一定的分歧比率，其中又以50对50分歧耦合器的使用最普及，除此之外99对1的分歧耦合器，经常被当作回线power的监控器（monitor）使用。

WDM耦合器

WDM耦合器主要功能是使两个波长相异的光信号从port输入，再由输出port输出两个光信号。除此之外WDM耦合器还可使相异的window光线进行分波、合波动作。

star coupler

star coupler主要功能是当分歧耦合器串联连接时，它可使一个输入port能同时具备16个甚至32个输出port。除此之外某些star coupler是将复数条光纤作成束带状，再利用溶接拉伸方式制成。如(图十四)所示类似有线电视基地台就是利用star coupler，使复数条光纤形成分歧状结构。

《图十四 star coupler的应用实例》

数据传输系统的基本结构与关键技术

基本结构

(图十五)是利用光纤形成数据传输系统结构，由图可知送信端先将欲传输的数据进行多重化、电器－光学转换以及波长多重化，接着输入光纤内；收信端则依照波长将必要的光线取出，再经过光学－电器转换与波长多重分离。一般而言电视转播站与移动电话等高频信号，通常是将电气信号直接转换成光学信号，再利用光纤进行传输，由于远方的高频信号也是使用相同方式作双向数据传输，因此移动电话可在地下道进行通话。

《图十五 是利用光纤形成数据传输系统结构》

雷射二极管（Laser Diode；LD）

雷射二极管（LD）与发光二极管（LED）等光学组件，主要功能是将电气信号转换成光学信号。LED的优点是价格低廉，缺点是无法获得高输出功率，同时也无法作高速变调。相较之下类似FP Type与DFB Type的LD，除了具备高输出功率特征之外还可作高速变调。

Photo Diode

Photo Diode同样可将电气信号转换成光学信号，以往基于高感度等考虑，Avalanche Photo Diode（APD）曾经是市场主流，不过目前大多已经改用PIN Photo Diode。

有关增加光纤通信传输容量的技术

利用复数相异波长提高传输速度

波长多重化（WDM）不但能提高各传输器的传输速度，同时还能藉由多重化的提升大幅增加传输容量。假设每条光纤的光power一定时，单位波长的power相对变小，不过在此同时相同波长间隔若作多重化，由于波长与波长之间相互作用，因此极易产生噪声（noise），进而影响光纤通信的质量。

增加波长间隔，形成4～8波左右的多重化称为CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplex）；波长间隔为0.8nm，数量超过40波以上者则称为DWDM（Dense Wavelength Division Multiplex），目前DWDM单位波长的传输速度大约是10Gbps～4010Gbps左右。

利用单波长提高传输速度

这种技术是由日本开发。如果以高速开/闭（ON/OFF）光源，理论上可以提高传输速度，不过相对的送信端需要搭配高速驱动电路（即使是LD光源也不例外）才能达成，收信端则需设置可将光学信号转换成高速电气脉冲的电路。此外在光纤中传输的光脉冲，极易受到高速后产生的「分散」的影响，因此传输波形必需作最适化处理，例如光学soliton通信方法就是利用光纤的非线形现象，以所谓的「soliton」波形进行高速传输。

增加光纤数量提高传输速度

如果有充分的光纤，增加光纤数量提高传输速度可说是很好的方法之一。

结语

自从光纤通信与半导体激光技术开始商业化研究，并走入人们的生活之后，已经带来无穷无尽的便利性与商业利益，其所能传送的容量与距离都得到大幅度的提升。光传输速度接近30万km/sec，只要有适当的光纤材料与光学链接器，就可以将光纤传输的损失量降至最低。但是以往利用光纤做长距离的光信号传输时，都需要进行繁琐的光－电转换作业，亦即先将光信号转换成电气信号，之后再将已增幅的电气信号转换为光信号，以达到光信号增幅的目的。当EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）问世之后，此一繁琐的转换程序得到了解决。EDFA可以直接将光信号增幅，使光纤通信技术得到革命性的进步。本文将在下期就EDFA技术的特性与原理进行深入探讨，并介绍其他相关的光增幅器与光信号量测方式。

＜下期预告:光增幅技术的诞生，已使得光纤通信技术得到革命性的进步。而光增幅技术如何解决困扰工程师已久的光－电转换作业问题，并让光纤通信进入高速大容量的传输时代？下一期的零组件杂志将继续为读者详细剖析，敬请期待！＞

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