光纤通讯基础简介(上)

光纤通讯基础简介(上)

一、光通讯简介

1、使用光通讯技术的优点︰

它是以光当作载波，透过光纤当传输介质将信息传递至远方。若以铜质同轴电缆与光纤作一比较，同轴电缆是搭配电磁波以数百MHz至数个GHz频率，以模拟的方式来传递信息，但其载波频率会受到20GHz理论值的限制；若以长距离光纤通讯而言，光的载波频率可达193,000GHz。而传输信息的频宽取决于载波频率，因此，若同轴缆线最大上限可以传输两个10GHz的频道，理论上，光纤则可以传输数以千计的10GHz的频道。此外，光纤质轻直径小，在光缆铺设过程中可以节省空间，加上在传输的过程中的衰减比铜质导线低，以单模光纤而言，每公里衰减约为0.2~0.5dB，且对于光讯号在光纤传输过程中，对于电磁波的干扰较不敏感，因此适合高容量及长距离通讯。

2、应用的层次︰

光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离(600km以上需要中继器，最大可达9000km)传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及品质的问题。有线电视方面，因所需求的频宽较高，每个频道的所需的影像频宽约为6MHz(声音频道约为8KHz)，以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。而数据通信(Datacommunication)上面，则是现在最热门的话题，随着信息时代的来临，网际网络需要大量的频宽来传递多媒体的信息，从短距离(1~500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(1~20km)的MAN以至于长距离(60~600km以上)的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决频宽不足的问题，近年来，因网际网络Interent的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。

3、基本光纤通讯架构︰

图一为点对点光纤通讯的基本架构，基本上是由光收发模块及光纤所组成，首先我们利用数字或模拟调变的方式将信息载在发射器上，以光波为载波透过光纤将讯号传递至远方，若距离较长，光纤则透过联结器(Connector)或接合器(splice)方式延长，最后到达光传感器端，在注重噪声与讯号比(S/N Ratio)情况下，并用clock recover的方式下将光讯号转回电讯号，而将信息解调回来。

4、数据传输趋势︰

图二是数据通讯标准的演进过程示意图，近年来，通信标准所定义的容量有逐年增加趋势，主因是区域及全球对频宽速度及容量渴望的影响，而光纤通讯的解决方案，对传输每单位Mb所需的成本也会逐年的下降。

若以网络区域的大小来区分，会常见到几个名词︰WAN(Wide Area Network)—国对国或全球长距网络、MAN(Metropolitan Area Network)—区域性或城市间通讯网路、LAN(Local Area Network)—一般使用者的计算机网络或使用路由器(Router)连结Internet、Dial-up Network—即一般个人计算机的调制解调器或电话所联结的网络。一般来说，前两者网络属于通讯公司所有，用来处理数以万计的电话通讯，而后两者则与PC及数据通信息息相关。

二、光学物理特性︰

在光纤通信方面，我们是利用光当作载波(Carrier)，因此，再更进一步了解光通讯之前，应对光学的物理特性做一个概括性的了解，接下来，我们对光的物理特性应用在通信上基础的知识做一简单的介绍。

1、光通讯传输波段(Communication Band)︰

基本上，我们可视光是电磁波的一种，若我们以sin波形来表示，则λ为其波长，如图三所示。光速在真空中传递速率为3×108m/s，若在介电材质中传递(如玻璃)，会因折射率不同而速度变慢，波长也会因此而有所改变，但一般来说，波长皆是定义在真空的状态下。

图四则是一般常用的光谱波段示意图，其中横轴表示可为频率及波长。因为光速=频率×波长，所以频率与波长对光速是为倒数关系，但在通讯上一般较常用波长来描述。举例来说，若我们以现今DWDM通信波长1550nm(10-9m)来估计，频率约193THz(1THz=1000GHz)，如我们只利用到1%的频宽，则频宽可达193GHz！

2、光的功率(Optical Power)︰

传输用的Laser power也有它相对应的规范，如国际标准的IEC825-1或美规CFR 1040.10等。一般光功率所使用的单位有mW及dBm两种，前者为线性，后者是取log值。使用后者的好处是分析讯号时，可增加其动态范围(Dynamic Range)使吾人在同一坐标轴中分析时易于观察，例如1000mW与2mW的讯号，两者尺度差异为500倍，但若换成30dBm与3dBm，尺度在10倍左右而易于分析。而当我们分析两个相对的功率时，则用dB来表示。

3、同调性及干涉效应(Coherent & Interferent)︰

此效应属于光波动的特性，当考虑一同波长的光源，若组成光源的各光子间其相位(Phase)的相关程度越高，则表示同调性(Coherent)越高，而干涉或绕射的程度也会跟着提高。若同调性越高，当传输时较能保持一定的相位，例如Laser；而相关程度越低，光子间的相位较不易保持，呈random的现象，例如自然光及LED皆是。CL(Coherent Length)的定义则是光子间能维持相位同调的相关性长度。而干涉及绕射效应是当两个不同的光子到达同一个位置时，因相位差异造成的建设性或破坏性干涉，使光强度有极大值或极小值的变化。

4、反射(Reflection)︰

当光行进时遇到任何的断面或是折射率不连续的地方，例如air gap、misalignment时，就会造成反射，当利用光做数据传输时，反射会造成两个问题，第一是反射光源产生的噪声会抑制传输的S/N比，第二是反射能量会造成Laser Source端的不稳定。若端面是两个以上，因折射率不连续之故，则会产生二次或三次的反射现象，且端面距离若在CL的范围内，则必需考虑光源强度或波长改变时造成周期性干涉的影响。反射损耗(RL Return Loss)的定义如下，其值越大表示越不易在端面上产生反射。

5、偏极化(Polarization)︰