前言

自從人類開始使用有線電話或無線電報作為訊息的傳遞工具以來，傳輸的媒介、方法及內容就不斷地演進。傳輸的媒介可從有線的媒介，如銅製雙絞電線、同軸纜線、塑膠光纖演變到玻璃光纖，以及無線的媒介，如藉由空氣密度之疏密變化的聲音傳播、廣播電台使用的短波(106)、超短波(108)、微波(1010)、紅外線傳輸(1012)，演變到以光作為傳輸(1014)的媒介。傳輸的方法從點對點的通訊方式、分割時間、頻率的通訊方式、不同編碼的通訊方式演變到以不同時間、頻率及編碼混合區隔的多工通訊方式。

環境(如雷擊)、串音、電磁或無線電波的干擾，決定多工通訊品質的成敗，而以光纖作為傳輸媒介的多工通訊將不受這些干擾的影響。至於傳輸的內容，則由聲音、數據、圖片、影像、多媒體演變到互動語音視訊的傳輸。是以，無論從速度、品質或容量來看，以光纖作為傳輸的媒介將是未來的趨勢。本文將就光纖通訊相關之原理、應用與元件作一介紹。

光纖傳輸原理

光在光纖內部作長距離的傳輸而不穿透出光纖本體之外，就是不斷的形成全反射。為了形成全反射，行走在光纖內部的光，其材質的折射率必須大於外部包覆材質的折射率，使在一定的入射角下只有光的反射而無光的折射出現。每一條耦合入光纖的光，其入射角必須小於全反射角才能形成第一個可傳導模態的條件。另外，光可視為電磁波的一種型式，其傳遞時會產生相互正交之電場及磁場，一般以電場的方向來描述偏極化的現象。當與光前進之垂直方向存在電場之分量且能形成駐波時能量才能保存，第二個可傳導模態的條件才成立。滿足上述兩個傳導模態的條件，光才能在光纖內進行長距離的傳輸。

光束經耦合入光纖，若入射角不同則在行經一定距離交會後，會產生光程差所造成的色散現象，一般將此現象稱為結構相關的色散或謂模態失真(Mode Dispersion)，單位是 ns/(km)，其所造成的延遲約在數十個ns左右。其次，對不同波長的光在玻璃內行走來說，波長越長速度越慢、波長越短速度越快的現象(紅光速度慢折射小，藍光速度快折射大)亦將產生光程差而形成色散現象，一般將此現象稱為頻率相關的色散(Chromatic Dispersion)，其造成的延遲約在數個ps左右。

光行進的偏極化特性

另外，光在行進時會伴隨電場的偏振，此偏振的方向可分解為平行光前進方向的TE模態，及垂直光前進方向的TM模態。若此電場的偏振方向，在光行進時保持固定的方向，謂之線性偏極化(電場分量Ex,Ey相差180度)；若方向改變但偏振的大小不變，謂之圓形偏極化；若方向改變及偏振的大小皆改變，謂之橢圓偏極化(電場分量Ex,Ey相差90度)。

以偏極化的方向和大小來說，LED產生之光源與偏極化的大小相比，其偏極化的大小幾乎可以忽略，因此可視為無偏極化特性的光源。自然光，涵蓋各式波長的光使其呈現等向性，亦可視為無偏極化特性的光源。而由半導體雷射產生之光源，約有90%以上具有偏極化特性。在應用上，如光隔絕器、WDM、光交換器等便是利用其波的方向性作成的產品，因為應用在光纖傳輸的光源大多具有偏極化的特性，而光纖易受溫度或應力變化而改變極化狀態，若要維持極化的穩定性就必須採有極化固定光纖(Polarization Maintain Fiber)。這種偏極化的現象，在高速資料傳輸時，會因為光纖本身在水平及垂直方向上因偏極化現象導致傳輸速率不同，如(圖一)所示，而產生所謂偏極化色散的訊號失真問題(Polarization Mode Dispersion)，其造成的延遲亦約在數個ps左右。

針對這幾種色散問題，有所謂「漸進式折射率」的光纖應用，使光纖中心的折射率大並往外緣依次遞減。其行走於核芯的光因較大的折射率產生較慢的速度，但行程較短；而行走在包覆層的光，則因較小的折射率產生較快的速度，但行程較遠，如此便可形成光程差的補償。

另外，光纖可視為電磁波的波導：在固定截面的波導下，光行走在此一波導的最大光波長，其行徑模態只有一種，小於該波長的光將在該波導存在至少兩種以上的行徑模態，則謂該波長對此種結構的波導為其截止波長。例如截面結構為10um核芯/125um包覆層的光纖，其截止波長為1550nm，若波長大於1550um以上時，該光纖便為單模的傳輸行為；若波長小於1550um時，該光纖則為多模的傳輸行為。因此，模態失真的色散可採單模光纖解決，至於色散及極化的失真現象，常在光纖上製作光柵來對失真作補償。

《圖一　偏極化色散》

光傳輸的損耗

光在光纖中傳輸行為除了光程差所造成的色散失真外(以時間計)，另一個影響因素就是損耗(以能量計；dB)。前者因為時差的關係使傳遞脈波的波寬越來越寬，後者因為能量耗損的關係使傳遞脈波的高度越來越低。就損耗的種類來說，光在光纖中傳輸會因為材料的吸收、材料的散射(scattering)或訊號外漏，造成內在的能量耗損，也會因為輸入耦合、輸出耦合、接續或彎曲，造成外在的能量耗損。

光纖通訊系統之多工方法

光纖通訊系統的多工方法，目的在提升通訊容量。其方法是將多組訊息經由打散或重組的過程載入光纖作通訊，其多工方式有四種。

分時多工法TDM

第一種謂之分時多工法TDM(Time Division Multiplexing)，主要是將較低速的訊號以電或光的方式將訊號載到更高頻率的訊號上。方法是針對多組數位訊號作傳輸時，可將載波之數位訊號傳輸的周期，對時間作分割。每一個分割時段，可放入一組訊息的資料，使載波在一個周期的時間分別裝入多組訊息的一小段資料(此技術又謂訊號交錯interleaving)。

分頻多工法FDM

第二種謂分頻多工法FDM(Frequency Division Multiplexing)，針對多組數位訊號作傳輸時，可將載波之數位訊號傳輸的頻率作分割。每一段分割的頻率，放入一組訊息資料，使載波在每一個不同頻段訊息，皆能明確的區分。此載波經調變發送到接收端，再將載波不同段的資料加以解調還原。

分域多工法SDM

第三種謂分域多工法SDM(Spacing Division Multiplexing)，針對多組數位訊號作傳輸時，可將載波之數位訊號傳輸分以不同的光纖來傳輸謂之分域多工法。

分波多工法WDM

第四種謂分波多工法WDM(Wavelength Division Multiplexing)，針對多組數位訊號作傳輸時，各組訊號可分別對不同的光源作調變，經合波多工器耦合入光纖，接收端再以分波器將不同波長的訊號分離，經檢光還原。

此外，分時多工法可以光的方式做分割又謂光分時多工法OTDM(Optical Time Division Multiplexing)，除了訊號交錯(interleaving)的技術外，須利用光學延遲的方法取代訊號低頻載波高頻的技術。此外，尚需使用訊號歸零模式作調變。是以，對SDM、 FDM或TDM等多工方式來說，會有管線及光纖頻寬限制的問題，但對於WDM的多工方式，單就一條光纖最大可放入82條通道，每條40Gb/s的容量(2002年3月Lucent提出，傳了300公里)，不但突破管線及光纖頻寬的限制，加入光岔路器(Optical Hybrid)又可使一條光纖作雙向傳輸。如今，大多數高容量光纖通訊都同時採用WDM及OTDM這兩種多工技術，來獲取最大的傳輸容量。

《表一》

光纖通訊系統之架構與規範

光纖通訊系統，大致區分為國與國之間的全域整合網路系統(Globally-integrated Network)，區域骨幹網路系統(Regional IP Backbone Network)，及用戶端(User Access Link)三類。

1. 在全域整合網路系統方面(1萬公里)，主要以海底光纜(Undersea Fiber Cable)為主要之通訊，所提供之傳輸速率方面的服務將指向5~10Tb/s，且必然同時採取OTDM/WDM的多工方法。

2. 在區域骨幹網路系統方面(20~100公里)，所提供之傳輸速率方面的服務將從2.5、10、40Gb/s一路攀升且以1000個通道為目標。

3. 在用戶端網路系統方面，光纖到家(FTTH)將以150Mbps為目標、光纖到建築(FTTB) 將以每個通道10Gbps為目標。

在這樣的高速的架構下，光纖通訊相關規範勢必不斷的修訂。就目前常看到的規範，在通訊系統方面有同步光纖網路 (SONET)及同步數位架構(SDH)兩種規範，其四種傳輸速率如(表一)，其常見的應用如光纖同步網路(SONET/SDH)、非同步傳輸模式(ATM)或光纖用戶迴路(FITL)等。

在區域網路方面，主要為數據的傳輸(Datacom)如一般所謂的光纖分散式數據介面(FDDI)，其傳輸數率規範125Mb/s及100Mbps兩種、高速乙太網路(Fast Ethernet) ，其傳輸數率規範100Mb/s、光纖通道(Fiber Channel)，其傳輸數率規範266~1603Mb/s、或是G-Ethernet，其傳輸數率規範1250Mb/s。

此外，在DWDM方面，有ITU(International Telecommunication Union)等規範，如以193.1THz為標準頻往上或往下延伸，每個通道的距離為100GHz，另有TIA協會制定50GHz。這些通訊規範的制定，乃是為了方便系統廠商、元件製造商、測試設備到通訊參數的統一而訂定，以確保品質並提高相容性。

《表二》

光纖通訊系統之要求

光纖通訊是利用光作通訊，光由光源射出經調變及多工合波的過程後耦合進入光纖，經傳輸放大及解多工的過程後抵達檢光器，再經光電訊號的轉換功能達到通訊的目的。在通訊的過程中，光纖本身的損失及色散決定傳輸品質的好壞。唯有損失小的光纖才能具有更遠的傳輸距離；唯有色散小的光纖才能具有更大的傳輸容量。

通訊的方式上，光纖通訊可以是數位的傳輸方式，最低的誤碼率(BER) 決定數位訊息的良窳；光纖通訊可以是類比的傳輸方式，最小的雜訊比(SNR) 決定類比訊息的優劣。要達到系統規格的要求，就必須考慮相關之元件之外觀結構及材料特性。

光纖的選擇：

長距離大容量的傳輸宜選用單模光纖，短距離小容量的傳輸宜選用多模光纖。首先，依照網路規劃決定何種光纜的結構，光纜的芯數及線徑。其次，決定光纖核芯及包覆層直徑、抗張強度、如何佈纜、以及接續或連接的方式。然後，評估其數值孔徑、模場直徑、截止頻率並預估相關之損失及色散的情況。(表二)

就光源的選擇：

長距離大容量的傳輸宜採用雷射光源，短距離小容量的傳輸宜選用LED光源。首先，需決定光源的模場分佈及耦合入光纖的光功率大小。其次，決定上傳下載的響應時間及穩定度。

光發射模組的選擇：

先決定數位或類比的傳輸模式，再決定輸入阻抗、偏壓方式及光回授系統的形式。

檢光器的選擇：

先決定選用 PIN檢光器或崩潰檢光器，再決定檢光器的響應度、響應時間、受光區域直徑、偏壓及暗電流。

光接收模組的選擇

決定前置放大器的特性要求，並評估誤碼率或雜訊比。其他，如調變方式的選擇及訊號傳輸方式的決定。

光通訊關鍵元件介紹

通訊發光元件

光發射模組的功能主要是將電訊號轉為光訊號然後將其傳送出去，其重點是如何保持最佳的訊號品質，減少外界的干擾及穩定的光功率輸出，如(圖二)所示。這牽涉到三個電路組合：

1. 雷射二極體及其驅動電路，主要任務是穩定偏壓電流的輸入；

2. 溫控電路的Thermistor溫度偵測迴授系統與TE Cooler的驅動電路，主要任務是防止溫度變化造成輸出特性的改變；

3. 光輸出功率的監控系統，主要任務是維持穩定的輸出功率外並監控二極體的老化情況。

一般在雷射二極體後方會緊跟一個檢光二極體接收來自二極體的光源並轉換成電流作監控，以維持光輸出功率的穩定。另外，對訊號的調變方面，對雷射二極體施以正向偏壓並以直接調變的方式作RF小訊號的調變。RF調變的振幅越大，雷射二極體發出的功率就越大，訊號可以發得越遠，但系統的線性度就越差。為兼顧系統的線性度，RF調變的振幅就不能太大。其結果又會使傳輸距離減少，同時系統的CNR值也會下降。如何在線性度、傳輸距離及CNR值的設計上取得平衡，決定光發射模組的功能的好壞。

《圖二　光發射模組》

通訊檢光元件

檢光器原理是在具PN接面結構之二極體兩端接以反向偏壓，使空乏區內無自由電子存在，所有的電子都處於價帶。當帶有大於能階之能量的光射入空乏區內，將激發電子躍升至價帶而產生自由電子及電洞對，並經電場吸收產生電流。這種由光產生之電流，約在數個nA極易受雜訊干擾。一般之高速檢光器都以PIN檢光器加FET作低雜音放大。

光調變模組

利用光的振幅、相位及頻率的改變，來搭載資訊謂之調變，其調變的裝置謂之調變器。就類比訊號而言，以弦波(cosωmt)對光的振幅作調變謂之振幅調變(AM)、以弦波(cosωmt)對光的頻率作調變謂之頻率調變(FM) 、以弦波(cosωmt)對光的相位作調變謂之相位調變(PM)。對數位訊號來說，以方波(A(t))對光的振幅作調變謂之振幅鍵移調變(ASK)、以方波(A(t))對光的頻率作調變謂之頻率鍵移調變(FSK) 、以方波(A(t))對光的相位作調變謂之相位鍵移調變(PSK)。其調變的方式又可分直接調變與間接調變兩種。直接調變對光波調變會出現波長抖動的頻擾現象(Chirping)，間接調變則需額外元件。更寬的頻寬、更好的頻譜、更小的失真及更大的輸出功率為其主要的訴求。

光放大模組

在光纖通訊的過程中，光纖本身的損失及色散決定傳輸品質的好壞。前者，決定傳輸距離的長短，一般以中繼站作放大因應，其設立的多寡決定通訊的品質及成本。後者，決定傳輸容量的通道數目。

早期的中繼站，透過光電轉換的方式將光訊號還原成電訊號，然後進行訊號重整(Recovery)及放大，再透過調變的過程將電訊轉為光訊號。其優點是是訊號的波形及能量被重新整理，缺點是只能一個通道對一個通道作處理且成本相當昂貴。自摻餌放大器EPFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)在1995問世後，直接對光進行放大的方式使得光纖通訊傳輸的距離更遠且成本更低，同時光放大的過程可對多通道的訊號一次處理，此乃成為DWDM分波多工系統得以全面推行及實現的關鍵。

就拉曼放大器RA(Raman Amplifier)來說，拉曼放大器的好處就是不要摻鉺光纖，但所加的Bump光源需要相當大的輸出功率(超過1瓦以上)，其原理是利用散色的原理對通訊光源作放大，不但對四波混頻有很好的抑制效果，對波長間距較密的DWDM系統的應用相當合適。由於可以針對不同之波長或不同之偏極化方向之通訊光，施以不同波長之Bump光源。使其可以達到任意波段的放大，對多波段光纖通訊網路之應用更具吸引力。未來，可望取代長距離骨幹網路通訊所使用的EDFA，但由於使用散射式放大及高功率的傳輸使未來都會接取網路仍將以EDFA為主。

多工解多工器(Multiplexer / Demultiplexer)

光纖通訊系統中用來將不同波長的光訊號合成於光纖內謂之多工器(Multiplexer)，反之將光纖內不同波長合成的光訊號分離出來謂之解多工器(Demultiplexer)。一般以8通道以上的波合成謂之高密度多工器DWDM，8通道以下的波合成謂之多工器WDM。目前大多數的海底光纜多為4~8個通道。

其種類依濾波技術來區分，有TFF、FBG及AWG型多工器。TFF型多工器，製作成本較便宜但性能也較差，其通道寬在100GHz以上，且通道數最多不超過16個。FBG型的WDM必須搭配循環器使用，容易受溫度及材料的影響且量產上仍有些問題需克服，此外有專利授權的問題且價錢較高。就AWG型的WDM來說，利用矽製程製作不但與現有的半導體製程相近可大幅降低成本外，可開發的通道數亦相當的多如Alcatel於去年就推出256個通道的DWDM。

光交換器(Optical Switch)

當用戶端迴路越來越多時，傳輸系統的硬體架構必須要有更大的彈性來因應，無法以替換多工器的方式進行。光交換器可以在不同的用戶端迴路及其具有之多工器系統間，以不需作光電的轉換的動作下切換，謂之光通道切換系統(OXC；Optical Cross Connect)。目前，大致可分為3類：

1. 微機電型式的光開關系統，是一種利用微小反射鏡的裝置作光通路的切換，這種型式的光交換器雖可使用一般的半導體製程大量製作，同時通道亦可作的非常多，但具有機械損耗的缺點，在可靠性方面被質疑。

2. 平面光波空腔電路(Maxtrix of Planar Lightwave Circuits With Cavity)式的光交換器，目前，以有32×32通道的產品問世。

3. 利用光干涉的原理製作，將光路分成兩條結構相同的通路，在其中的一條分路上施以電壓或加熱來改變通路的折射率，使光在通過該段通路時因折射率的改變造成相位的改變。當相位的改變造成光在合併處形成破壞性干涉，光路將成斷路狀態。當相位的改變造成光在合併處形成建設性干涉，光路將成開路狀態。此種光交換的方式又謂Mach-Zehnder干涉。

結語

本文針對光通訊相關之原理、應用及元件作介紹，並盡量利用最淺顯的方式來說明，目的是希望對非相關領域的人士提供一較便捷的方式了解光纖通訊元件在原理及應用方面的知識，文中若有使用資料過時或撰寫錯誤，尚請讀者多多包涵並不吝指教。