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光纖通訊簡介、光纖的特性介紹

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



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。


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。




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



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2 Comments


志遠 陳
志遠 陳
Oct 03, 2023

"這也就是為什麼cladding的折射率要略大於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" 是否筆誤? 應該是cladding的折射率要小於core

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drshawnchang
drshawnchang
Oct 03, 2023
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您好,的確是筆誤已經修正了喔!

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