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                  族譜網(wǎng) 頭條 人物百科

                  光纖通信

                  2020-10-16
                  出處:族譜網(wǎng)
                  作者:阿族小譜
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                  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(attenuation)與遭受干擾(interference)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(infrastructure)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(opticalcommunication)市場崩潰后,光纖通信的成本也不斷下探,目前已經(jīng)和銅纜為骨干的通信系統(tǒng)不相上下[1]。對于光纖通信產(chǎn)業(yè)而言,1990年光放大器(opticalamplifier)正式進入商業(yè)市場的應用后,很多超長距離的光纖通...

                  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(attenuation)與遭受 干擾 (interference)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(infrastructure)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(optical communication)市場崩潰后,光纖通信的成本也不斷下探,目前已經(jīng)和銅纜為骨干的通信系統(tǒng)不相上下[1]。

                  對于光纖通信產(chǎn)業(yè)而言,1990年光放大器(optical amplifier)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(jīng)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。

                  歷史

                  自古以來,人類對于長距離通信的需求就不曾稍減。隨著時間的前進,從烽火到電報,再到1940年第一條同軸電纜(coaxial cable)正式服役,這些通信系統(tǒng)的復雜度與精細度也不斷的進步。但是這些通信方式各有其極限,使用電氣信號傳遞信息雖然快速,但是傳輸距離會因為電氣信號容易衰減而需要大量的中繼器(repeater);微波(microwave)通信雖然可以使用空氣做介質(zhì),可是也會受到載波頻率(carrier frequency)的限制。到了二十世紀中葉,人們才了解使用光來傳遞信息,能帶來很多過去所沒有的顯著好處。

                  然而,當時并沒有同調(diào)性高的發(fā)光源(coherent light source),也沒有適合作為傳遞光信號的介質(zhì),也所以光通信一直只是概念。直到1960年代,激光(laser)的發(fā)明才解決第一項難題。1970年代康寧公司(Corning Glass Works)發(fā)展出高質(zhì)量低衰減的光纖則是解決了第二項問題,此時信號在光纖中傳遞的衰減量第一次低于光纖通信之父 高錕 所提出的每千米衰減20分貝(20dB/km)關卡,證明光纖作為通信介質(zhì)的可能性。與此同時使用砷化鎵(GaAs)作為材料的半導體激光(semiconductor laser)也被發(fā)明出來,并且憑借著體積小的優(yōu)勢而大量運用于光纖通信系統(tǒng)中。1976年,第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。

                  經(jīng)過五年的研發(fā)期,第一個商用的光纖通信系統(tǒng)在1980年問市。這個人類史上第一個光纖通信系統(tǒng)使用波長800納米(nanometer)的砷化鎵激光作為光源,傳輸?shù)乃俾剩╠ata rate)達到45Mb/s(bits per second),每10千米需要一個中繼器增強信號。

                  第二代的商用光纖通信系統(tǒng)也在1980年代初期就發(fā)展出來,使用波長1300納米的磷砷化鎵銦(InGaAsP)激光。早期的光纖通信系統(tǒng)雖然受到色散(dispersion)的問題而影響了信號質(zhì)量,但是1981年單模光纖(single-mode fiber)的發(fā)明克服了這個問題。到了1987年時,一個商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)高達1.7Gb/s,比第一個光纖通信系統(tǒng)的速率快將近四十倍之譜。同時傳輸?shù)墓β逝c信號衰減的問題也有顯著改善,間隔50千米才需要一個中繼器增強信號。1980年代末,EDFA的誕生,堪稱光通信歷史上的一個里程碑似的事件,它使光纖通信可直接進行光中繼,使長距離高速傳輸成為可能,并促使DWDM的誕生。

                  第三代的光纖通信系統(tǒng)改用波長1550納米的激光做光源,而且信號的衰減已經(jīng)低至每千米0.2分貝(0.2dB/km)。之前使用磷砷化鎵銦激光的光纖通信系統(tǒng)常常遭遇到脈沖延散(pulse spreading)問題,而科學家則設計出 色散遷移光纖 (dispersion-shifted fiber)來解決這些問題,這種光纖在傳遞1550納米的光波時,色散幾乎為零,因其可將激光光的光譜限制在單一縱模(longitudinal mode)。這些技術上的突破使得第三代光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率達到2.5Gb/s,而且中繼器的間隔可達到100千米遠。

                  第四代光纖通信系統(tǒng)引進光放大器(optical amplifier),進一步減少中繼器的需求。另外, 波分復用 (wavelength-division multiplexing, WDM)技術則大幅增加傳輸速率。這兩項技術的發(fā)展讓光纖通信系統(tǒng)的容量以每六個月增加一倍的方式大幅躍進,到了2001年時已經(jīng)到達10Tb/s的驚人速率,足足是80年代光纖通信系統(tǒng)的200倍之多。近年來,傳輸速率已經(jīng)進一步增加到14Tb/s,每隔160千米才需要一個中繼器。

                  第五代光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的重心在于擴展波分復用器的波長操作范圍。傳統(tǒng)的波長范圍,也就是一般俗稱的“C band”約是1530納米至1570納米之間,新一帶的無水光纖(dry fiber)低損耗的波段則延伸到1300納米至1650納米間。另外一個發(fā)展中的技術是引進光孤子(optical soliton)的概念,利用光纖的非線性效應,讓脈沖能夠抵抗色散而維持原本的波形。

                  1990年至2000年間,光纖通信產(chǎn)業(yè)受到互聯(lián)網(wǎng)泡沫的影響而大幅成長。此外一些新興的網(wǎng)絡應用,如隨選視頻(video on demand)使得互聯(lián)網(wǎng)帶寬的成長甚至超過摩爾定律(Moore"s Law)所預期集成電路芯片中晶體管增加的速率。而自互聯(lián)網(wǎng)泡沫至2006年為止,光纖通信產(chǎn)業(yè)通過企業(yè)整并壯大規(guī)模,以及委外生產(chǎn)的方式降低成本來延續(xù)生命。

                  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(zhuǎn)換成光信號,再通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(zhuǎn)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,來源包括電腦、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(light-emitting diode, LED)或是激光二極管(laser diode)。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(diào)性(noncoherent),而后者則為同調(diào)性(coherent)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(diào)制,非常適合光纖通信系統(tǒng)的需求。

                  LED借著電激發(fā)光(electroluminescence)的原理發(fā)出非同調(diào)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(zhuǎn)換成光功率,約是100微瓦特(micro-watt)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(GaAsP),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)(local area network, LAN),傳輸距離也在數(shù)千米之內(nèi)。目前也有LED內(nèi)包含了數(shù)個量子井(quantum well)的結(jié)構(gòu),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(mW)左右,而且為同調(diào)性質(zhì)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(model dispersion)。半導體激光亦可在相當高的操作頻率下進行調(diào)制,原因是其復合時間(recombination time)非常短。

                  半導體激光通??捎奢斎氲碾娏饔袩o直接調(diào)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(continuous wave)的形式控制,例如使用外置的電吸收光調(diào)制器(electroabsorption modulator)或是馬赫·任德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)對光信號加以調(diào)制。外置的調(diào)制組件可以大幅減少激光的“啁啾脈沖”(chirp pulse)。啁啾脈沖會使得激光的譜線寬度變寬,使得光纖內(nèi)的色散變得嚴重。

                  光纖

                  光纖纜線包含一個核心(core),纖殼(cladding)以及外層的保護被覆(protective coating)。核心與折射率(refractive index)較高的纖殼通常用高質(zhì)量的硅石玻璃(silica glass)制成,但是現(xiàn)在也有使用塑膠作為材質(zhì)的光纖。又因為光纖的外層有經(jīng)過紫外線固化后的壓克力(acrylate)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(nèi)的衰減以及信號變形,而解決的方式是利用光電轉(zhuǎn)換的中繼器。這種中繼器先將光信號轉(zhuǎn)回電信號放大后再轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)換下就直接放大光信號。光放大器的原理是在一段光纖內(nèi)摻雜(doping)稀土族元素(rare-earth)如鉺(erbium),再以短波長激光激發(fā)(pumping)之。如此便能放大光信號,替換中繼器。

                  接收器

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

                  光接收器電路通常使用轉(zhuǎn)阻放大器(transimpedence amplifier, TIA)以及限幅放大器(limiting amplifier)處理由光偵測器轉(zhuǎn)換出的光電流,轉(zhuǎn)阻放大器和限幅放大器可以將光電流轉(zhuǎn)換成幅度較小的電壓信號,再通過后端的比較器(comparator)電路轉(zhuǎn)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鐘頻率及數(shù)據(jù)恢復電路(clock and data recovery, CDR)以及鎖相回路(phase-locked loop, PLL)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區(qū)成多個通道(channel),俾使能在同一條光纖內(nèi)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(wavelength division multiplexer)以及在接收端的波長分波解多任務器(wavelength division demultiplexer),最常用于波分復用系統(tǒng)的組件是數(shù)組波導光柵(Arrayed Waveguide Gratings, AWG)。而目前市面上已經(jīng)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個通道,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(nèi)的色散現(xiàn)象就越嚴重,影響信號質(zhì)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(MHz×km)。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(trade off)。舉例而言,一個常見的多模光纖(multi-mode fiber)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(nèi)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

                  雖然目前已經(jīng)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(jīng)達到14Tb/s以及160千米的傳輸距離[2],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(nèi)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(nèi)色散的成因很多。以模態(tài)色散為例,信號的橫模(transverse mode)軸速度(axial speed)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(group-velocity dispersion),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(nèi)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(polarization mode dispersion),起因是單模光纖內(nèi)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(polarization),而光纖內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)缺陷與變形都可能讓這兩個偏振方向的光波產(chǎn)生不一樣的傳遞速度,這又稱為光纖的雙折射現(xiàn)象(fiber birefringence)。這個現(xiàn)象可以通過偏振保持光纖(polarization-maintaining optical fiber)加以抑制。

                  信號衰減

                  信號在光纖內(nèi)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(nèi)衰減的主因有物質(zhì)吸收、瑞利散射(Rayleigh scattering)、米氏散射(Mie scattering)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(nèi)的雜質(zhì)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”(Fiber To The Home, FTTH)以及“最后一公里”(last mile)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(jīng)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(jīng)開始替換使用銅線的數(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(zhì)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(chǎn)生串訊(cross-talk)的干擾,這和傳輸電信號的傳輸線(transmission line)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。然而目前也有些還在實驗階段的系統(tǒng)已經(jīng)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(EMI),包括核子造成的電磁脈沖。(不過光纖可能會毀于α或β射線)

                  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(chǎn)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。

                  現(xiàn)行技術標準

                  為了能讓不同的光纖通信設備制造商之間有共通的標準,國際電信聯(lián)盟(International Telecommunications Union, ITU)制定了數(shù)個與光纖通信相關的標準,包括:

                  ITU-T G.651, "Characteristics of a 50/125 μm multimode graded index optical fibre cable"

                  ITU-T G.652, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"

                  其他關于光纖通信的標判據(jù)規(guī)定了發(fā)射與接收端,或是傳輸介質(zhì)的規(guī)格,包括了:

                  10G以太網(wǎng)(10 Gigabit Ethernet)

                  光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)

                  光纖通道(Fibre channel)

                  HIPPI ( 英語 : HIPPI )

                  同步數(shù)字層次結(jié)構(gòu)(Synchronous Digital Hierarchy)

                  同步光纖網(wǎng)絡(Synchronous Optical Networking)

                  此外,在數(shù)字音效的領域中,也有利用光纖傳遞信息的規(guī)格,那就是由日本東芝(Toshiba)所制定的TOSLINK規(guī)格。采用塑膠光纖(plastic optical fiber, POF)作為媒介,系統(tǒng)中包含一個采用紅光LED的發(fā)射器以及集成了光偵測器與放大器電路的接收器。

                  延伸閱讀

                  光導纖維

                  光通信

                  信息論

                  參考資料

                  Encyclopedia of Laser Physics and Technology

                  Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn

                  Agrawal, Govind P. Fiber-optic communication systems. New York: John Wiley & Sons. 2002. ISBN 978-0-471-21571-4.


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