光纖通信

光纖通信是指一種利用光與光纖傳遞信息的一種方式，屬于有線通信的一種。光經過調制后便能攜帶信息。自1980年代起，光纖通信系統(tǒng)對于電信工業(yè)產生了革命性的作用，同時也在數(shù)字時代里扮演非常重要的角色。光纖通信具有傳輸容量大、保密性好等許多優(yōu)點。光纖通信線在已經成為當今最主要的有線通信方式。將需發(fā)送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機中，將信息疊加或調制到作為信息信號載體的載波上，然后將已調制的載波通過傳輸媒質發(fā)送到遠處的接收端，由接收機解調出原來的信息。

根據(jù)信號調制方式的不同，光纖通信可以分為數(shù)字光纖通信、模擬光纖通信。纖通信的產業(yè)包括了光纖電纜、光器件、光設備、光通信儀表、光通信集成電路等多個領域。

利用光纖做為通信之用通常需經過下列幾個步驟：

以發(fā)射器產生光信號。

以光纖傳遞信號，同時必須確保光信號在光纖中不會衰減或嚴重變形。

以接收器接收光信號，并且轉換成電信號。

應用

光纖常被電話公司用于傳遞電話、互聯(lián)網(wǎng)，或是有線電視的信號，有時候利用一條光纖就可以同時傳遞上述的所有信號。與傳統(tǒng)的銅線相比，光纖的信號衰減與遭受干擾[來源請求]的情形都改善很多，特別是長距離以及大量傳輸?shù)氖褂脠龊现?，光纖的優(yōu)勢更為明顯。然而，在城市之間利用光纖的通信基礎建設通常施工難度以及材料成本難以控制，完工后的系統(tǒng)維運復雜度與成本也居高不下。因此，早期光纖通信系統(tǒng)多半應用在長途的通信需求中，這樣才能讓光纖的優(yōu)勢徹底發(fā)揮，并且抑制住不斷增加的成本。

從2000年光通信市場崩潰后，光纖通信的成本也不斷下探，當前已經和銅纜為骨干的通信系統(tǒng)不相上下。

對于光纖通信產業(yè)而言，1990年光放大器正式進入商業(yè)市場的應用后，很多超長距離的光纖通信才得以真正實現(xiàn)，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25萬千米，每秒能攜帶的數(shù)據(jù)量超過2.56Tb，而且根據(jù)電信運營商的統(tǒng)計，這些數(shù)據(jù)從2002年后仍然不斷的大幅成長中。

核心技術

現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)多半包括一個發(fā)射器，將電信號轉換成光信號，再透過光纖將光信號傳遞。光纖多半埋在地下，連接不同的建筑物。系統(tǒng)中還包括數(shù)種光放大器，以及一個光接收器將光信號轉換回電信號。在光纖通信系統(tǒng)中傳遞的多半是數(shù)字信號，來源包括計算機、電話系統(tǒng)，或是有線電視系統(tǒng)。

發(fā)射器

在光纖通信系統(tǒng)中通常作為光源的半導體組件是發(fā)光二極管或是激光二極管。LED與激光二極管的主要差異在于前者所發(fā)出的光為非同調性，而后者則為同調性的光。使用半導體作為光源的好處是體積小、發(fā)光效率高、可靠度佳，以及可以將波長最優(yōu)化，更重要的是半導體光源可以在高頻操作下直接調制，非常適合光纖通信系統(tǒng)的需求。

LED借著電激發(fā)光的原理發(fā)出非同調性的光，頻譜通常分散在30納米至60納米間。LED另外一項缺點是發(fā)光效率差，通常只有輸入功率的1%可以轉換成光功率，約是100微瓦特左右。但是由于LED的成本較低廉，因此常用于低價的應用中。常用于光通信的LED主要材料是砷化鎵或是砷化鎵磷，后者的發(fā)光波長為1300納米左右，比砷化鎵的810納米至870納米更適合用在光纖通信。由于LED的頻譜范圍較廣，導致色散較為嚴重，也限制了其傳輸速率與傳輸距離的乘積。LED通常用在傳輸速率10Mb/s至100Mb/s的局域網(wǎng)，傳輸距離也在數(shù)千米之內。當前也有LED內包含了數(shù)個量子井的結構，使得LED可以發(fā)出不同波長的光，涵蓋較寬的頻譜，這種LED被廣泛應用在區(qū)域性的波分復用網(wǎng)絡中。

半導體激光的輸出功率通常在100毫瓦特左右，而且為同調性質的光源，方向性相對而言較強，通常和單模光纖的耦合效率可達50%。激光的輸出頻譜較窄，也有助于增加傳輸速率以及降低模態(tài)色散。半導體激光亦可在相當高的操作頻率下進行調制，原因是其復合時間非常短。

半導體激光通常可由輸入的電流有無直接調制其開關狀態(tài)與輸出信號，不過對于某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長的應用，激光光源可能會以連續(xù)波的形式控制，例如使用外置的電吸收光調制器或是馬赫·任德干涉儀對光信號加以調制。外置的調制組件可以大幅減少激光的“啁啾脈沖”。啁啾脈沖會使得激光的譜線寬度變寬，使得光纖內的色散變得嚴重。

光纖

光纖纜線包含一個核心，纖殼以及外層的保護被覆。核心與折射率較高的纖殼通常用高質量的硅石玻璃制成，但是現(xiàn)在也有使用塑膠作為材質的光纖。又因為光纖的外層有經過紫外線固化后的壓克力被覆，可以如銅纜一樣埋藏于地下，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接需要十分精密的校準，所以折斷的光纖也難以重新接合。

光放大器

過去光纖通信的距離限制主要根源于信號在光纖內的衰減以及信號變形，而解決的方式是利用光電轉換的中繼器。這種中繼器先將光信號轉回電信號放大后再轉換成較強的光信號傳往下一個中繼器，然而這樣的系統(tǒng)架構無疑較為復雜，不適用于新一代的波分復用技術，同時每隔20千米就需要一個中繼器，讓整個系統(tǒng)的成本也難以降低。

光放大器的目的即是在不用作光電與電光轉換下就直接放大光信號。光放大器的原理是在一段光纖內摻雜稀土族元素如鉺，再以短波長激光激發(fā)之。如此便能放大光信號，取代中繼器。

接收器

構成光接收器的主要組件是光偵測器，利用光電效應將入射的光信號轉為電信號。光偵測器通常是半導體為基礎的光二極管，例如p-n結二極管、p-i-n二極管，或是雪崩型二極管。另外“金屬-半導體-金屬”光偵測器也因為與電路集成性佳，而被應用在光再生器或是波分復用器中。

光接收器電路通常使用轉阻放大器以及限幅放大器處理由光偵測器轉換出的光電流，轉阻放大器和限幅放大器可以將光電流轉換成幅度較小的電壓信號，再透過后端的比較器電路轉換成數(shù)字信號。對于高速光纖通信系統(tǒng)而言，信號常常相對地衰減較為嚴重，為了避免接收器電路輸出的數(shù)字信號變形超出規(guī)格，通常在接收器電路的后級也會加上時脈及數(shù)據(jù)恢復電路以及鎖相回路將信號做適度處理再輸出。

波分復用

波分復用的實際做法就是將光纖的工作波長分割成多個信道，俾使能在同一條光纖內傳輸更大量的數(shù)據(jù)。一個完整的波分復用系統(tǒng)分為發(fā)射端的波分復用器以及在接收端的波長分波解多任務器，最常用于波分復用系統(tǒng)的組件是數(shù)組波導光柵。而當前市面上已經有商用的波分復用器/解多任務器，最多可將光纖通信系統(tǒng)劃分成80個信道，也使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室幌伦泳屯黄芓b/s的檔次。

帶寬距離乘積

由于傳輸距離越遠，光纖內的色散現(xiàn)象就越嚴重，影響信號質量。因此常用于評估光纖通信系統(tǒng)的一項指針就是帶寬-距離乘積，單位是百萬赫茲×千米。使用這兩個值的乘積做為指針的原因是通常這兩個值不會同時變好，而必須有所取舍。舉例而言，一個常見的多模光纖系統(tǒng)的帶寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個系統(tǒng)在一千米內的信號帶寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5千米時，帶寬則可以倍增到1000MHz。

應用極限

雖然當前已經出現(xiàn)很多技術降低諸如色散之類的問題，也使得光纖通信系統(tǒng)的容量已經達到14Tb/s以及160千米的傳輸距離，仍然有些問題需要工程師與科學家的研究與克服。以下是這些問題的簡單討論。

信號色散

對于現(xiàn)代的玻璃光纖而言，最嚴重的問題并非信號的衰減，而是色散問題，也就是信號在光纖內傳輸一段距離后逐漸擴散重疊，使得接收端難以判別信號的高或低。造成光纖內色散的成因很多。以模態(tài)色散為例，信號的橫模軸速度不一致導致色散，這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中，模態(tài)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，起因是對不同波長的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所發(fā)射的光波不可能沒有頻譜的分布，這也造成了光波在光纖內部會因為波長的些微差異而有不同的折射行為。另外一種在單模光纖中常見的色散稱為偏振態(tài)色散，起因是單模光纖內雖然一次只能容納一個橫模的光波，但是這個橫模的光波卻可以有兩個方向的偏振，而光纖內的任何結構缺陷與變形都可能讓這兩個偏振方向的光波產生不一樣的傳遞速度，這又稱為光纖的雙折射現(xiàn)象。這個現(xiàn)象可以透過偏振保持光纖加以抑制。

信號衰減

信號在光纖內衰減也造成光放大器成為光纖通信系統(tǒng)所必需的組件。光波在光纖內衰減的主因有物質吸收、瑞利散射、米氏散射以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收系數(shù)只有0.03dB/km，但是光纖內的雜質仍然會讓吸收系數(shù)變大。其他造成信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。

信號再生

現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)因為引進了很多新技術降低信號衰減的程度，因此信號再生只需要用于距離數(shù)百千米遠的通信系統(tǒng)中。這使得光纖通信系統(tǒng)的建置費用與維運成本大幅降低，特別對于越洋的海底光纖而言，中繼器的穩(wěn)定度往往是維護成本居高不下的主因。這些突破對于控制系統(tǒng)的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非線性現(xiàn)象。此外，光孤子也是另外一項可以大幅降低長距離通信系統(tǒng)中色散的關鍵技術。

最后一公里光纖網(wǎng)絡

雖然光纖網(wǎng)絡享有高容量的優(yōu)勢，但是在達成普及化的目標，也就是“光纖到戶”以及“最后一公里”的網(wǎng)絡布建上仍然有很多困難待克服。然而，隨著網(wǎng)絡帶寬的需求日增，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(wǎng)絡系統(tǒng)已經開始取代使用銅線的數(shù)字用戶回路系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的比較

對于某個通信系統(tǒng)而言，使用傳統(tǒng)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。光纖通常用于高帶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(yōu)點。光纖另外一項重要的優(yōu)點是即使跨越長距離的數(shù)條光纖并行，光纖與光纖之間也不會產生串訊的干擾，這和傳輸電信號的傳輸線正好相反。

不過對于短距離與低帶寬的通信應用而言，使用電信號的傳輸有下列好處：

較低的建置費用

組裝容易

可以利用電力系統(tǒng)傳遞信息

因為這些好處，所以在很短的距離傳輸信息，例如主機之間、電路板之間，甚至是集成電路芯片之間，通常還是使用電信號傳輸。然而當前也有些還在實驗階段的系統(tǒng)已經改采光來傳遞信息。

在某些低帶寬的場合，光纖通信仍然有其獨特的優(yōu)勢：

能抵抗電磁干擾，包括核子造成的電磁脈沖。

對電信號的阻抗極高，所以能在高電壓或是地面電勢不同的狀況下安全工作。

重量較輕，這在飛機中特別重要。

不會產生火花，在某些易燃的環(huán)境中顯得重要。

沒有電磁輻射、不易被竊聽，對于需要高度安全的系統(tǒng)而言十分重要。

線徑小，當繞線的路徑被限制時，變得重要。