光纖通訊簡介、光纖的特性介紹

2021年10月10日讀畢需時 4 分鐘

已更新：2023年10月3日

前言

大數據的時代來臨，所有的人、事、物都要透過網路。因此數據傳輸的需求越來越大，數據傳輸的頻寬需求也越來越高。今天要來介紹的是光纖通訊。

光纖通訊

傳統的通訊方法是用電作為訊號的傳遞，導線作為訊號傳遞的媒介，但大家都知道導體總是有個電阻存在。即便是導電係數非常好的導體，仍然有傳遞距離的限制。因此光纖通訊因運而生，光纖通訊主要就是把傳遞的電信號轉成光信號，接著藉由光纖這樣的媒介傳輸，傳到信號接收源後再轉成電信號解析。

光纖的組成

光纖的組成主要分成三個部分，由內而外分別是

1. Core：負責光線的傳遞。對應下圖標示1

2. Cladding：折射率略小於core，以利光侷限於core之中。對應下圖標示2

2. 外被：對光纖作保護。對應下圖標示3

下圖為光纖組成的圖示

圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Core_(optical_fiber)

光線傳遞時只要經過任何的界面都會產生部分的折射與反射，而當光線由光密介質傳到光疏介質的過程中，也就是從折射率大的介質傳到折射率小的狀態時，入射角大於某個角度時會產生全反射，意味者前述提到的部分折射的比率為0。這也就是為什麼cladding的折射率要略小於core，如此一來傳遞的信號才能被完整的局限於光纖的core之中

光纖的模態

光纖依照模態可以分為單模(single-mode)與多模(multi-mode)兩種。至於模態是甚麼呢？簡單來說就是光傳遞的方式，如果只有一種傳遞方式，那麼這樣的傳遞方式便為單模。而單模與多模光纖的差異主要是core的直徑，一般多模光纖的core直徑大約在50 um，單模光纖直徑約在9 um。根據前述所說，當光在core與cladding間形成全反射時便將光的能量傳到另一端，在多模光纖的傳遞中，可以想像不同入射角代表不同的模態，也就是不同的傳遞方式，而當core由50 um的大小開始縮小至9um時，可以形成全反射的條件越來越少，到了9um則只能有一種角度形成全反射傳遞，此時的光纖便叫單模光纖。

數值孔徑(NA, numerical aperture)

前述提到光纖通信是要將電信號傳成光信號並藉由光纖進行傳遞，而將光信號倒入光纖中有一個很重要的參數叫做數值孔徑(NA, numerical aperture)。NA簡單的說是光纖的接收角度，光的進入光纖的角度小於NA的條件時，便能在光纖中形成全反射傳遞，反之則否。

色散(dispersion)

為影響光纖頻寬的主因，色散越大代表光在光纖中傳遞越容易發散，光越容易發散自然傳不遠，傳不快。而色散主要可以分成三大類

1. 模態色散(modal dispersion)

發生在多模光纖的傳遞中。不同的模態傳遞方式不同，意味者傳遞角度的不同，因此經過長距離的傳輸，同一道光不同模態抵達到接收端的時間不同，此時會造成同一個信號的時間差。模態色散和光纖內可容納的模態數量有關，越靠近單模的方式傳遞，越不容易色散。下圖為不同模態在光纖中傳遞的示意圖，偏向高模態的光波，需要反射角較小，意味者從左側光源到右側的距離與時間也越長，當距離越長，高低模態的差異越大，也就是模態色散。

圖片來源：https://community.fs.com/blog/types-of-optical-fiber-dispersion-and-compensation-strategies.html

2. 材料色散(material dispersion)

這個世界上沒有單波長的光，而一種材料的折射率會隨著波長的大小不同，不同的折射率會造成不同的傳遞型態，簡單來說就是不同的波長在光纖通傳遞的全反射角不同。下圖為材料色散的示意圖。紅、綠、藍三道光在光纖中的折射率不同，因此也造成反射角的差異。經過一段距離的傳遞，不同顏色的光由左而右抵達的時間不同，也就造成了色散。

圖片來源：https://community.fs.com/blog/types-of-optical-fiber-dispersion-and-compensation-strategies.html

3. 波導色散(waveguide dispersion)

在單模光纖中的傳遞其實應該要用波動光學來解比較妥當，若是利用波動光學的數學去解會發現，光波在傳遞時仍有部分的光會在cladding中傳遞，而cladding的折射率和core的差異便會造成時間差，這便叫波導色散。

簡單來說，光在光纖中傳遞時，因為色散的存在會造成一個信號的時間差，進而造成信號的延遲使得接收端誤判。

損耗(Attenuation)

色散會造成信號傳遞的時間差，而損號則會造成信號的衰減。信號的衰減主要可分為兩大類

光纖的吸收：任何的材料都會有吸收，就算是透明的光纖也會是。隨著距離變長，即便很微小的吸收係數也會造成劇烈的損耗。

下圖為不同波長在光纖中的損耗，單位為dB/km。可以了解即便光纖的損耗再小，經過更長距離的傳輸，其實損耗也是很可觀的

圖片來源：http://www.fowiki.com/b/understand-fiber-attenuation/

最後我們用光纖的光譜來做個總結

波長850 nm：在此處雖然有較高的損耗，但現今非常的成熟的砷化鎵VCSEL的波長為850 nm，擁有低成本的優勢，因此通常在此波長的應用會選用多模光纖
波長1310 nm：又叫做O Band，在此處幾乎沒有色散，也有頗低的損耗，因此通常會使用單模光纖作為傳遞
波長1550 nm：又叫做C Band，在此處有些微的色散，擁有最低的損耗，因此通常會選用其波長搭配單模光纖做最遠的信號傳遞