前言

自从人类开始使用有线电话或无线电报作为讯息的传递工具以来，传输的媒介、方法及内容就不断地演进。传输的媒介可从有线的媒介，如铜制双绞电线、同轴缆线、塑料光纤演变到玻璃光纤，以及无线的媒介，如藉由空气密度之疏密变化的声音传播、广播电台使用的短波(106)、超短波(108)、微波(1010)、红外线传输(1012)，演变到以光作为传输(1014)的媒介。传输的方法从点对点的通讯方式、分割时间、频率的通讯方式、不同编码的通讯方式演变到以不同时间、频率及编码混合区隔的多任务通讯方式。

环境(如雷击)、串音、电磁或无线电波的干扰，决定多任务通讯质量的成败，而以光纤作为传输媒介的多任务通讯将不受这些干扰的影响。至于传输的内容，则由声音、数据、图片、影像、多媒体演变到互动语音视讯的传输。是以，无论从速度、质量或容量来看，以光纤作为传输的媒介将是未来的趋势。本文将就光纤通讯相关之原理、应用与组件作一介绍。

光纤传输原理

光在光纤内部作长距离的传输而不穿透出光纤本体之外，就是不断的形成全反射。为了形成全反射，行走在光纤内部的光，其材质的折射率必须大于外部包覆材质的折射率，使在一定的入射角下只有光的反射而无光的折射出现。每一条耦合入光纤的光，其入射角必须小于全反射角才能形成第一个可传导模态的条件。另外，光可视为电磁波的一种型式，其传递时会产生相互正交之电场及磁场，一般以电场的方向来描述偏极化的现象。当与光前进之垂直方向存在电场之分量且能形成驻波时能量才能保存，第二个可传导模态的条件才成立。满足上述两个传导模态的条件，光才能在光纤内进行长距离的传输。

光束经耦合入光纤，若入射角不同则在行经一定距离交会后，会产生光程差所造成的色散现象，一般将此现象称为结构相关的色散或谓模态失真(Mode Dispersion)，单位是 ns/(km)，其所造成的延迟约在数十个ns左右。其次，对不同波长的光在玻璃内行走来说，波长越长速度越慢、波长越短速度越快的现象(红光速度慢折射小，蓝光速度快折射大)亦将产生光程差而形成色散现象，一般将此现象称为频率相关的色散(Chromatic Dispersion)，其造成的延迟约在数个ps左右。

光行进的偏极化特性

另外，光在行进时会伴随电场的偏振，此偏振的方向可分解为平行光前进方向的TE模态，及垂直光前进方向的TM模态。若此电场的偏振方向，在光行进时保持固定的方向，谓之线性偏极化(电场分量Ex,Ey相差180度)；若方向改变但偏振的大小不变，谓之圆形偏极化；若方向改变及偏振的大小皆改变，谓之椭圆偏极化(电场分量Ex,Ey相差90度)。

以偏极化的方向和大小来说，LED产生之光源与偏极化的大小相比，其偏极化的大小几乎可以忽略，因此可视为无偏极化特性的光源。自然光，涵盖各式波长的光使其呈现等向性，亦可视为无偏极化特性的光源。而由半导体雷射产生之光源，约有90%以上具有偏极化特性。在应用上，如光隔绝器、WDM、光交换器等便是利用其波的方向性作成的产品，因为应用在光纤传输的光源大多具有偏极化的特性，而光纤易受温度或应力变化而改变极化状态，若要维持极化的稳定性就必须采有极化固定光纤(Polarization Maintain Fiber)。这种偏极化的现象，在高速数据传输时，会因为光纤本身在水平及垂直方向上因偏极化现象导致传输速率不同，如(图一)所示，而产生所谓偏极化色散的讯号失真问题(Polarization Mode Dispersion)，其造成的延迟亦约在数个ps左右。

针对这几种色散问题，有所谓「渐进式折射率」的光纤应用，使光纤中心的折射率大并往外缘依次递减。其行走于核芯的光因较大的折射率产生较慢的速度，但行程较短；而行走在包覆层的光，则因较小的折射率产生较快的速度，但行程较远，如此便可形成光程差的补偿。

另外，光纤可视为电磁波的波导：在固定截面的波导下，光行走在此一波导的最大光波长，其行径模态只有一种，小于该波长的光将在该波导存在至少两种以上的行径模态，则谓该波长对此种结构的波导为其截止波长。例如截面结构为10um核芯/125um包覆层的光纤，其截止波长为1550nm，若波长大于1550um以上时，该光纤便为单模的传输行为；若波长小于1550um时，该光纤则为多模的传输行为。因此，模态失真的色散可采单模光纤解决，至于色散及极化的失真现象，常在光纤上制作光栅来对失真作补偿。

《图一 偏极化色散》

光传输的损耗

光在光纤中传输行为除了光程差所造成的色散失真外(以时间计)，另一个影响因素就是损耗(以能量计；dB)。前者因为时差的关系使传递脉波的波宽越来越宽，后者因为能量耗损的关系使传递脉波的高度越来越低。就损耗的种类来说，光在光纤中传输会因为材料的吸收、材料的散射(scattering)或讯号外漏，造成内在的能量耗损，也会因为输入耦合、输出耦合、接续或弯曲，造成外在的能量耗损。

光纤通讯系统之多任务方法

光纤通讯系统的多任务方法，目的在提升通讯容量。其方法是将多组讯息经由打散或重组的过程加载光纤作通讯，其多任务方式有四种。

分时多任务法TDM

第一种谓之分时多任务法TDM(Time Division Multiplexing)，主要是将较低速的讯号以电或光的方式将讯号载到更高频率的讯号上。方法是针对多组数字讯号作传输时，可将载波之数字讯号传输的周期，对时间作分割。每一个分割时段，可放入一组讯息的数据，使载波在一个周期的时间分别装入多组讯息的一小段数据(此技术又谓讯号交错interleaving)。

分频多任务法FDM

第二种谓分频多任务法FDM(Frequency Division Multiplexing)，针对多组数字讯号作传输时，可将载波之数字讯号传输的频率作分割。每一段分割的频率，放入一组讯息数据，使载波在每一个不同频段讯息，皆能明确的区分。此载波经调变发送到接收端，再将载波不同段的数据加以解调还原。

分域多任务法SDM

第三种谓分域多任务法SDM(Spacing Division Multiplexing)，针对多组数字讯号作传输时，可将载波之数字讯号传输分以不同的光纤来传输谓之分域多任务法。

分波多任务法WDM

第四种谓分波多任务法WDM(Wavelength Division Multiplexing)，针对多组数字讯号作传输时，各组讯号可分别对不同的光源作调变，经合波多任务器耦合入光纤，接收端再以分波器将不同波长的讯号分离，经检光还原。

此外，分时多任务法可以光的方式做分割又谓光分时多任务法OTDM(Optical Time Division Multiplexing)，除了讯号交错(interleaving)的技术外，须利用光学延迟的方法取代讯号低频载波高频的技术。此外，尚需使用讯号归零模式作调变。是以，对SDM、 FDM或TDM等多任务方式来说，会有管线及光纤带宽限制的问题，但对于WDM的多任务方式，单就一条光纤最大可放入82条信道，每条40Gb/s的容量(2002年3月Lucent提出，传了300公里)，不但突破管线及光纤带宽的限制，加入光岔路器(Optical Hybrid)又可使一条光纤作双向传输。如今，大多数高容量光纤通讯都同时采用WDM及OTDM这两种多任务技术，来获取最大的传输容量。

《表一》

光纤通讯系统之架构与规范

光纤通讯系统，大致区分为国与国之间的全局整合网络系统(Globally-integrated Network)，区域骨干网络系统(Regional IP Backbone Network)，及客户端(User Access Link)三类。

1. 在全局整合网络系统方面(1万公里)，主要以海底光缆(Undersea Fiber Cable)为主要之通讯，所提供之传输速率方面的服务将指向5~10Tb/s，且必然同时采取OTDM/WDM的多任务方法。

2. 在区域骨干网络系统方面(20~100公里)，所提供之传输速率方面的服务将从2.5、10、40Gb/s一路攀升且以1000个信道为目标。

3. 在客户端网络系统方面，光纤到家(FTTH)将以150Mbps为目标、光纤到建筑(FTTB) 将以每个信道10Gbps为目标。

在这样的高速的架构下，光纤通讯相关规范势必不断的修订。就目前常看到的规范，在通讯系统方面有同步光纤网络 (SONET)及同步数字架构(SDH)两种规范，其四种传输速率如(表一)，其常见的应用如光纤同步网络(SONET/SDH)、异步传输模式(ATM)或光纤用户回路(FITL)等。

在局域网络方面，主要为数据的传输(Datacom)如一般所谓的光纤分布式数据接口(FDDI)，其传输数率规范125Mb/s及100Mbps两种、高速以太网络(Fast Ethernet) ，其传输数率规范100Mb/s、光纤信道(Fiber Channel)，其传输数率规范266~1603Mb/s、或是G-Ethernet，其传输数率规范1250Mb/s。

此外，在DWDM方面，有ITU(International Telecommunication Union)等规范，如以193.1THz为标准频往上或往下延伸，每个信道的距离为100GHz，另有TIA协会制定50GHz。这些通讯规范的制定，乃是为了方便系统厂商、组件制造商、测试设备到通讯参数的统一而订定，以确保质量并提高兼容性。

《表二》

光纤通讯系统之要求

光纤通讯是利用光作通讯，光由光源射出经调变及多任务合波的过程后耦合进入光纤，经传输放大及解多任务的过程后抵达检光器，再经光电讯号的转换功能达到通讯的目的。在通讯的过程中，光纤本身的损失及色散决定传输质量的好坏。唯有损失小的光纤才能具有更远的传输距离；唯有色散小的光纤才能具有更大的传输容量。

通讯的方式上，光纤通讯可以是数字的传输方式，最低的误码率(BER) 决定数字讯息的良窳；光纤通讯可以是模拟的传输方式，最小的噪声比(SNR) 决定模拟讯息的优劣。要达到系统规格的要求，就必须考虑相关之组件之外观结构及材料特性。

光纤的选择：

长距离大容量的传输宜选用单模光纤，短距离小容量的传输宜选用多模光纤。首先，依照网络规划决定何种光缆的结构，光缆的芯数及线径。其次，决定光纤核芯及包覆层直径、抗张强度、如何布缆、以及接续或连接的方式。然后，评估其数值孔径、模场直径、截止频率并预估相关之损失及色散的情况。(表二)

就光源的选择：

长距离大容量的传输宜采用雷射光源，短距离小容量的传输宜选用LED光源。首先，需决定光源的模场分布及耦合入光纤的光功率大小。其次，决定上传下载的响应时间及稳定度。

光发射模块的选择：

先决定数字或模拟的传输模式，再决定输入阻抗、偏压方式及光回授系统的形式。

检光器的选择：

先决定选用 PIN检光器或崩溃检光器，再决定检光器的响应度、响应时间、受光区域直径、偏压及暗电流。

光接收模块的选择

决定前置放大器的特性要求，并评估误码率或噪声比。其他，如调变方式的选择及讯号传输方式的决定。

光通讯关键组件介绍

通讯发光组件

光发射模块的功能主要是将电讯号转为光讯号然后将其传送出去，其重点是如何保持最佳的讯号质量，减少外界的干扰及稳定的光功率输出，如(图二)所示。这牵涉到三个电路组合：

1. 雷射二极管及其驱动电路，主要任务是稳定偏压电流的输入；

2. 温控电路的Thermistor温度侦测回授系统与TE Cooler的驱动电路，主要任务是防止温度变化造成输出特性的改变；

3. 光输出功率的监控系统，主要任务是维持稳定的输出功率外并监控二极管的老化情况。

一般在雷射二极管后方会紧跟一个检光二极管接收来自二极管的光源并转换成电流作监控，以维持光输出功率的稳定。另外，对讯号的调变方面，对雷射二极管施以正向偏压并以直接调变的方式作RF小讯号的调变。RF调变的振幅越大，雷射二极管发出的功率就越大，讯号可以发得越远，但系统的线性度就越差。为兼顾系统的线性度，RF调变的振幅就不能太大。其结果又会使传输距离减少，同时系统的CNR值也会下降。如何在线性度、传输距离及CNR值的设计上取得平衡，决定光发射模块的功能的好坏。

《图二 光发射模块》

通讯检光组件

检光器原理是在具PN接面结构之二极管两端接以反向偏压，使空乏区内无自由电子存在，所有的电子都处于价带。当带有大于能阶之能量的光射入空乏区内，将激发电子跃升至价带而产生自由电子及电洞对，并经电场吸收产生电流。这种由光产生之电流，约在数个nA极易受噪声干扰。一般之高速检光器都以PIN检光器加FET作低杂音放大。

光调变模块

利用光的振幅、相位及频率的改变，来搭载信息谓之调变，其调变的装置谓之调变器。就模拟讯号而言，以弦波(cosωmt)对光的振幅作调变谓之振幅调变(AM)、以弦波(cosωmt)对光的频率作调变谓之频率调变(FM) 、以弦波(cosωmt)对光的相位作调变谓之相位调变(PM)。对数字讯号来说，以方波(A(t))对光的振幅作调变谓之振幅键移调变(ASK)、以方波(A(t))对光的频率作调变谓之频率键移调变(FSK) 、以方波(A(t))对光的相位作调变谓之相位键移调变(PSK)。其调变的方式又可分直接调变与间接调变两种。直接调变对光波调变会出现波长抖动的频扰现象(Chirping)，间接调变则需额外组件。更宽的带宽、更好的频谱、更小的失真及更大的输出功率为其主要的诉求。

光放大模块

在光纤通讯的过程中，光纤本身的损失及色散决定传输质量的好坏。前者，决定传输距离的长短，一般以中继站作放大因应，其设立的多寡决定通讯的质量及成本。后者，决定传输容量的信道数目。

早期的中继站，透过光电转换的方式将光讯号还原成电讯号，然后进行讯号重整(Recovery)及放大，再透过调变的过程将电讯转为光讯号。其优点是是讯号的波形及能量被重新整理，缺点是只能一个信道对一个信道作处理且成本相当昂贵。自掺饵放大器EPFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)在1995问世后，直接对光进行放大的方式使得光纤通讯传输的距离更远且成本更低，同时光放大的过程可对多信道的讯号一次处理，此乃成为DWDM分波多任务系统得以全面推行及实现的关键。

就拉曼放大器RA(Raman Amplifier)来说，拉曼放大器的好处就是不要掺铒光纤，但所加的Bump光源需要相当大的输出功率(超过1瓦以上)，其原理是利用散色的原理对通讯光源作放大，不但对四波混频有很好的抑制效果，对波长间距较密的DWDM系统的应用相当合适。由于可以针对不同之波长或不同之偏极化方向之通讯光，施以不同波长之Bump光源。使其可以达到任意波段的放大，对多波段光纤通讯网络之应用更具吸引力。未来，可望取代长距离骨干网络通讯所使用的EDFA，但由于使用散射式放大及高功率的传输使未来都会接取网络仍将以EDFA为主。

多任务解多任务器(Multiplexer / Demultiplexer)

光纤通讯系统中用来将不同波长的光讯号合成于光纤内谓之多任务器(Multiplexer)，反之将光纤内不同波长合成的光讯号分离出来谓之解多任务器(Demultiplexer)。一般以8信道以上的波合成谓之高密度多任务器DWDM，8信道以下的波合成谓之多任务器WDM。目前大多数的海底光缆多为4~8个信道。

其种类依滤波技术来区分，有TFF、FBG及AWG型多任务器。TFF型多任务器，制作成本较便宜但性能也较差，其信道宽在100GHz以上，且信道数最多不超过16个。FBG型的WDM必须搭配循环器使用，容易受温度及材料的影响且量产上仍有些问题需克服，此外有专利授权的问题且价钱较高。就AWG型的WDM来说，利用硅制程制作不但与现有的半导体制程相近可大幅降低成本外，可开发的信道数亦相当的多如Alcatel于去年就推出256个信道的DWDM。

光交换器(Optical Switch)

当客户端回路越来越多时，传输系统的硬件架构必须要有更大的弹性来因应，无法以替换多任务器的方式进行。光交换器可以在不同的客户端回路及其具有之多任务器系统间，以不需作光电的转换的动作下切换，谓之光信道切换系统(OXC；Optical Cross Connect)。目前，大致可分为3类：

1. 微机电型式的光开关系统，是一种利用微小反射镜的装置作光通路的切换，这种型式的光交换器虽可使用一般的半导体制程大量制作，同时信道亦可作的非常多，但具有机械损耗的缺点，在可靠性方面被质疑。

2. 平面光波空腔电路(Maxtrix of Planar Lightwave Circuits With Cavity)式的光交换器，目前，以有32×32信道的产品问世。

3. 利用光干涉的原理制作，将光路分成两条结构相同的通路，在其中的一条分路上施以电压或加热来改变通路的折射率，使光在通过该段通路时因折射率的改变造成相位的改变。当相位的改变造成光在合并处形成破坏性干涉，光路将成断路状态。当相位的改变造成光在合并处形成建设性干涉，光路将成开路状态。此种光交换的方式又谓Mach-Zehnder干涉。

结语

本文针对光通讯相关之原理、应用及组件作介绍，并尽量利用最浅显的方式来说明，目的是希望对非相关领域的人士提供一较便捷的方式了解光纤通讯组件在原理及应用方面的知识，文中若有使用数据过时或撰写错误，尚请读者多多包涵并不吝指教。