光纖通訊

圖 2-23 為光纖通訊系統的架構圖，數位或類比訊號進入傳送器之驅動器，將訊號調變到某一波長的頻率（雷射光），再經過光源轉換成光波訊號，經由光纖傳導到接收端，經由光偵測器轉換回原來的電流訊號，再經由接收器解調變回原來數位或類比訊號。在整個傳輸過程中，建立通道所需的元件可區分為光訊號產生器、光學纖維和光訊號接收器等三個主要部分，以下分別介紹之。

『光學纖維』（Optical Fiber）（一般簡稱為光纖）是一種纖細（50 ~ 100 微米）且易於扭曲的中空導管，為引導光波的傳輸媒介。將多條光纖綑綁組裝成束，即為一光纖纜線（一般稱之為光纜），如圖 2-2 所示；光纜內部有一強化抗彎曲物，可減少光纖彎曲的角度。當光波訊號進入光纖時，低入射角之光線會被反射而沿著光纖導管前進，因此，會有兩個現象發生：(1) 如果光纖的直徑較大時，所產生的入射角過大，光訊號在導管內容易被互相抵銷，而影響前進光的能量；(2) 光波在光纖導管內，容易被導管吸收，也會影響前進光的能量。當前進之光波在導管裡被吸收或衰減時，將會減少傳輸距離與傳輸頻寬。因此，光纖的品質也會直接影響到傳輸效益，一般光纖的種類可區分為下列三種：

(1) 階梯級多模光纖（Step Index Multi-mode Fiber）：一般採用『玻璃』或『塑膠』材料所製成，導管直徑在 50 ~ 125 μm 之間。此種光纖之導管的直徑較大，光波的入射角較大，光訊號在導管內容易互相抵銷，而且光纖導管也會吸收光訊號，而影響光傳遞的能量，其光訊號傳輸模式如圖 2-24 (a) 所示。一般使用在近離而且較低速率的傳輸環境上，它的構造簡單，光纖間之接續也較容易，價格較便宜。

(2) 逐級多模光纖（Graded Index Multi-Mode Fiber）：是由階梯級多模式光纖改良而來，光纖導管的直徑也是在 50 ~ 125 μm 之間，但使用較好的材料製造，一般使用『石英』材料，可減少光訊號能量被吸收，傳輸距離可較遠，頻寬也較高。光訊號在光纖導管上的傳輸模式，如圖 2-24 (b) 所示。

(3) 單模光纖（Single-Mode Fiber）：是由『石英』材質所製造出來的，光纖直徑在 2~8 μm 之間，導管的直徑非常的細小，光波訊號進入導管後，入射角也非常小，幾乎不會產生折射光，而沿著光纖導管直線傳遞，如圖 2-24 © 所示。單模光纖所能傳遞的距離最遠，傳輸頻寬也最高，但因其導管非常的微細，因此無論在製造上或連接上都非常困難，價格也非常昂貴，一般使用在遠距離或傳輸頻寬較高的環境上。

表 2-2 為三種光纖特性的比較。一般評估光纖的頻寬，是依照該光纖所承載的頻率可以傳送多遠的距離，由表中可知，單模光纖的頻寬最高、衰減也最小，這是因為該光纖的入射角最小，並且使用不會吸收光訊號的石英材質。

	階梯級多模光纖	逐級多模光纖	單模光纖
光源	LED 或雷射	LED 或雷射	雷射
頻寬	200 MHz/公里	200 MHz ~ 3 GHz/公里	3 ~ 5 GHz/公里
接續	較容易	較容易	困難
蕊心內徑	50 ~ 125 μm	50 ~ 125 μm	2 ~ 8 μm
蕊心外徑	125 ~ 400 μm	125 ~ 400 μm	15 ~ 60 μm
衰減	10 ~ 50 dB/公里	7 ~ 15 dB/公里	0.2 ~ 2 dB/公里
價格	較便宜	稍貴	最貴

基本上，光纖通訊是屬於振幅位移鍵（Amplitude Shift Key, ASK）的調變技術，將訊號調變到某一頻率上，再傳遞給光訊號產生器，該特定頻率直接影響發光器所產生光的波長。再從另一方面來觀察，所謂雷射光表示某一波長的光訊號，而該光訊號聚合性較強，且不容易發散而遺失光的能量。一般雷射光在不同的應用範圍有不同的波長，於光纖通訊系統之中，大多採用 850、1310 與 1550 nm 等三種波長的雷射光，也就是說，我們將訊號經過 ASK 調變到該波長的載波訊號，再由發光器產生雷射光，發送到光纖上傳輸。光訊號在 ASK 的編碼技巧如下：

(a) "1"：以一個脈衝的光代表（亮），該光訊號是某載波頻率所產生。

發光元件是屬於物理材料，它必須能發射穩定波長的光訊號，整個光纖傳輸效益才會高，因此，依照不同的應用範圍，有下列兩種發光元件：

(a) 發光二極體（Light Emitting Diode, LED）：LED 是一種固態元件，加上電流就會發光，產生的光訊號能量較低，所能承載的頻寬也較小；但線路較簡單，價格也較便宜。一般 LED 發光器都使用在多模光纖通訊上。

(b) 注入雷射二極體（Injection Laser Diode, ILD）：ILD 是一種半導體雷射二極體，其所產生光的能量是 LED 的十倍以上，而且所能承載的頻寬也是 LED 的十倍以上；但價格較昂貴，一般使用在單模光纖的通訊系統上。

光訊號接收器之中，最主要的是受光元件，依照其製作材料也可以區分為兩大類：

(a) PIN 二極體：其構造是 P 層與 N 層之間有一層純質（Intrinsic）的矽，利用感光使之產生電流。

(b) 崩潰光電二極體（Avalanche Photodiode）：具有內部放大作用，使感光訊號輸出加強，但需使用較強的電場，一般使用在雷射二極體輸出端的感光系統上，價錢也較昂貴。

基本上，受光元件都是屬於光子計數器，PIN 的靈敏度較低，但價格較便宜。在整個光纖統訊系統之中，如果採用某一波長的光傳導（850 nm、1310 nm 或 1550 nm），則無論發光二極體或受光二極體，都要採用同一波長之元件。

光纖通訊系統是數位傳輸方式，將數位訊號中的 “0” 或 “1” 訊號以 ASK（Amplitude Shift Key）調變在某一載波頻率上，再傳遞給發光二極體產生某一波長的雷射光，因此，光訊號在光纖導管上傳遞方式是以『亮』或『暗』來表示數位訊號，受光元件也是以計數方式（亮或暗）來感測訊號。基本上，光纖導管上只有一種波長的光在傳遞，此現象非常類似電波訊號傳輸方式。在電波通訊系統之中，無論使用何種調變方式（AM、FM 或 PM），每一筆傳輸訊號都需要一個載波頻率來調變，但為了提高傳輸媒介的使用率，我們都以頻率分工或分時多工，來提高傳輸媒介的使用率。

當然光傳輸系統之中，如使用單一波長的光在光纖導管上傳遞，其傳輸效率將非常的低，也希望它能像電波通訊系統有多工傳輸的功能。光纖通訊系統的多工功能是將光纖所能傳導的波長範圍分割為若干個通道，每一通道獨享有一個波長範圍、也載入各自的訊號，之後再整合發送到光纖導管上傳送，因此稱之為『波長分割多工』（Wavelength Division Multiplexing, WDM），如圖 2-25 所示。

圖 2-25 以1550 nm 光纖通訊系統為例，所承載的波長範圍在 1529 nm ~ 1602 nm 之間，將波長劃分為 64 個通道（Channel），每一通道可以傳送 2.048 Mbps，整個通訊系統就可以傳輸 131.072 Mbps（= 2.048 × 64）。所有通道之光訊號進入光合器後整合成單一束光，再發送到光纖導管上；接收端經過分光器，將各種波長的光訊號分離到相對應的通道上。如果單一光纖導管可以提供 100 Mbps 以上的傳送速率，整個光纖纜線（包含多條光纖導管）就可以達到 1 Tbps 以上的傳輸速率。如近年來發展之『高密度波長分工技術』，便可在一條光纖導管上提供 1 Tbps 以上的傳輸速率。