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光纖通信硬體概論(上)
 

【作者: 高士】   2004年10月05日 星期二

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光纖除了可作為網際網路高速資料存取的線路之外,還可以應用於其它領域,例如光纖到府(Fiber To The Home;FTTH)或影像傳輸等等。其實利用光纖進行通信的構想,早在50年代就曾被提出,不過當時通信用高透明玻璃的製作技術,與發光/收光元件等周邊技術還不成熟,使得光纖通信始終無法實用化,直到70年代美國康寧發表傳輸損失為20dB/km的光纖之後,光纖通信與半導體雷射才正式開始商業化的應用研究,90年代更快速成為生活中的一部份,有鑑於此本文將詳細介紹有關光纖通信的硬體結構。


光通信的發展經緯

早期的光纖屬於多模光纖(Multi Mode Fiber;MMF),由於導通光線core部位的折射率為一定值,因此多模光纖又稱為SI型光纖(Step Index Type Fiber),折射率呈二次方分佈的光纖則稱為GI型光纖(Grated Index Type Fiber)。早期光源的波長雖然只有850nm左右,不過傳輸損損失卻高達2.5dB/km,相較之下90年代波長為1300nm的傳輸損失只有0.5dB/km。1300nm最大缺點是發光元件的價格非常昂貴,由於1300nm是繼850nm之後第二個實用化光源,所以稱為「second window」,接著問世的1550nm光源則稱為「third window」。由於GI型光纖屬於多模光纖,因此若與單模光纖(Single Mode Fiber;SMF)比較時,就會發生所謂的傳輸頻寬極限等問題。頻寬1300nm的單模光纖,在1310nm波長時具有波長分散等於0的特徵,由此可知雖然光纖可作高速傳輸,不過光纖本身也有所謂的「分散」困擾,使得傳輸速度受到一定的限制。由於1310nm的光源分散是0,因此很快就成為市場主流。


如(圖一)的loss spectre特性圖可知,事實上1550nm的波長是光纖傳輸損失最小的頻率範圍。過去1550nm的光纖傳輸受到1380nm OH離子(不純水份)吸收損失的影響,導致1550nm的光纖傳輸損失非常高,不過最近已經大幅降低吸收損失,OH離子的吸收也接近0左右,因此1550nm的波長才進入實用化階段,而光纖也能在寬頻領域中達成高速傳輸的要求。一般而言傳輸損失以1550nm最小,波長分散則以1310nm的零分散最小,為彌補上述兩波長的缺點,所以將零分散波長shift至1550nm領域,進而製成分散shift型光纖DSF。此外由於波長為1550nm的半導體雷射二極體(Laser Diode;LD)與高速變調器的開發,因此目前1Gbps的信號大約可傳輸100km左右。


《圖一 光纖的loss spectre特性(單模光纖)》
《圖一 光纖的loss spectre特性(單模光纖)》

光的特性

基本上光屬於波長極短的電磁波,真空中光的速度為30萬km/sec(2.998×108m/sec),光線在水中與空氣中的速度因為有介質折射率的影響,所以會比真空中的速度稍慢。(圖二)是SI型光纖的構造,(圖三)是各種光纖進行光傳輸的差異。圖中光通過部位稱為蕊芯(core),反射光線的部位稱為包覆層(clad layer)。


《圖三 各種光纖進行光傳輸的差異》
《圖三 各種光纖進行光傳輸的差異》

光纖的分類

石英光纖

大部份的通信用光纖,它的core與clad層都是石英玻璃製成。由於石英光纖容易斷裂,所以再用塑膠包覆clad層,藉此強化光纖的強度。core與clad層兩者的折射率略有差異,因此GI型光纖的core中心附近,光線的傳輸速度較慢,外圍部份的光線速度較快,折射率則是呈二次方分佈,換句話說GI型光纖是藉此方法降低core與clad層兩者的折射率差異。


Hard Polymer Clad Fiber(HPCF)

HPCF的core是用石英玻璃製成,clad層的材質則為Hard Polymer,為了傳輸光線因此clad層再用折射率比石英玻璃更低的Polymer包覆。


塑膠光纖

塑膠光纖的core與clad層都是用塑膠製成,塑膠光纖主要是應用在短距離傳輸與音響設備之間的連接。短距離通信用塑膠光纖的core與clad,則分別由不同的塑膠材料所製成。


中空光纖

雖然某些中央部位成中空狀的中空光纖,結構上與導波管很類似,但是一般所謂的中空光纖並非如此結構。


石英光纖的基本特性

單模(single mode)光纖與多模(multi mode)光纖

光纖傳遞光線的路徑稱為mode,傳輸路徑只有一條者稱為單模光纖(single mode fiber);傳輸路徑有二條以上者稱為多模光纖(multi mode fiber);如果光線傳遞路徑連一條都沒有時,稱為「cut off狀」,這種情況當然無法傳遞光線。


損失(衰減量)與光能(power)

基本上光線並無電壓、電流等物理概念,通常是以輸入後的光能(power)衰減量表示損失。損失的單位是dB(decibel),光能(power)則以「W」或是dBm表示,例如0dBm=1mW。


分散

如(圖四)所示光的脈衝(pulse)隨著時間擴散稱為「分散」,一般而言光纖的長度越長分散越大。光脈衝若發生擴散會造成擴散前後的脈衝重合,最後導致無法判別有無脈衝的窘境。由於分散的多寡取決於通信速度,因此分散特性與通信速度兩者成互動關係,而且分散對高速光通信具有決定性的影響。



《圖四 分散造成光脈衝擴散》
《圖四 分散造成光脈衝擴散》

mode分散

由於多模光纖具有複數條光線傳輸路徑,因此會在射出端合成成為傳輸路徑相異(傳輸時間相異)的光線,其結果造成光脈衝更加分散;相較之下單模光纖的光線傳輸路徑只有一條,所以沒有mode分散的困擾。


材料分散與構造分散

所謂的材料分散與構造分散,主要是由構成光纖的材料與結構差異造成的分散現象。如(圖五)所示單模光纖的材料分散與構造分散,會在1310nm附近相互抵銷變成0。分散shift型光纖(DSF)無法利用材質調整分散,因此需改變構造使材料分散與構造分散兩者能在1310nm附近相互抵銷變成0。


《圖五 單模光纖的材料分散、構造分散與波長分散》
《圖五 單模光纖的材料分散、構造分散與波長分散》

波長分散

(圖六)是1550nm波長,零分散shift型光纖的波長分散特性。光通信使用的LD與LED等光源,在發光頻譜(spectre)中具有一定的寬度,雖然光源型錄上都會記載發光元件的半值幅寬,不過光纖的傳輸速度會隨著波長改變,換句話說如果使用頻譜較大的光源時,會使射出脈衝變大。由於頻譜的單位是波長,脈衝擴散的單位是時間,因此這種分散稱為「波長分散」。圖五與圖六分別表示光纖在ps(picot秒)單位時間內,1nm光源每公里(km)的分散大小。長距離光通信通常是使用LD當光源,主要理由除了輸出power的考量之外,例如使用半值幅較小的DFB雷射作為光源,還可利用它的波長分散特性抑制脈衝擴散現象。


《圖六 1550nm零分散shift type光纖的波長分散特性》
《圖六 1550nm零分散shift type光纖的波長分散特性》

高速長距離傳輸特性

高速長距離傳輸除了需要降低傳輸損失之外,還需設法抑制波形變形等問題,尤其是越洋海底光纖,甚至需要考慮類似單模偏波狀態所衍生的偏波mode分散(PMD),因為即使是微量的分散,由於光纖長度長達數千公里,累積後會形成相當可觀的分散量,進而對傳輸特性造成不良影響,換句話說高速長距離傳輸時,光纖的分散特性比傳輸損失更受到重視。


光通信基本元件

光學連接器

使用光通信設備或是光量測儀,以及各種光學模組時,通常會以光學連接器(connector)作為與光纖連接的介面。(圖七)是FC type與SC type光學連接器的外觀。由於光纖與同軸電纜不同,所以光學連接器通常是與光纖成模組狀販售。選用光學連接器除了需考慮匹配性之外,反射率(反射衰減量)也是重要項目之一。(圖八)是研磨的差異造成連接器產生不同的反射率差;(圖九)是光學連接器常用的研磨方式;(表一)是研磨方式與光學特性統計,由表一可知所謂的反射率,基本上是研磨方式的差異所造成。所謂反射是指光線從連接器端面折返光纖的現象而言,反射率越高代表LD的發振越不穩定,若變成多重反射時甚至會造成影像信號出現鬼影(ghost)與雜訊,尤其是傳輸類比影像時更需注意上述問題。此外連接器端面若有油垢、粉塵,會導致傳輸損失增加,因此使用前務必將連接器端面擦拭乾淨。


《圖七 光學連接器的外觀》
《圖七 光學連接器的外觀》

《圖八 光學連接器的研磨種類,可顯示連接器不同的研磨方式與反射率的差異》
《圖八 光學連接器的研磨種類,可顯示連接器不同的研磨方式與反射率的差異》
《表一 光學連接器的研磨方法與光學特性》
《表一 光學連接器的研磨方法與光學特性》

光學Isolator

所謂光學Isolator是指能讓光線單向通行,阻隔逆向光通行的光學元件而言。(圖十)是光學Isolator的動作原理;(圖十一)是光學Isolator的外觀。由圖十可知光學Isolator是將光的偏光分解成兩個直線偏光,接著利用法拉第(Faraday)旋轉器使兩個直線偏光旋轉45°,之後再使兩偏光進行合成,其結果是從逆向射入的光線會被旋轉90°,再經過偏光元件的組合就無法繼續朝前方行進。


《圖十一 光學Isolator的外觀》
《圖十一 光學Isolator的外觀》

光纖耦合器

光纖耦合器(optical fiber coupler)主要用途是使光線分歧或是分波。雖然還有其它方法可以達成相同效果,不過以光纖耦合器的結構最簡易成本最低廉。圖(十二)是光纖耦合器的構成圖;(圖十三)是光纖耦合器的外觀圖。基本上光纖耦合器是將兩條光纖平行置放加熱,平行部位變成一體化後再將它拉伸即可。


《圖十三 光纖耦合器的外觀圖》
《圖十三 光纖耦合器的外觀圖》

分歧耦合器(coupler)

分歧耦合器主要功能是使輸入光維持一定的分歧比率,其中又以50對50分歧耦合器的使用最普及,除此之外99對1的分歧耦合器,經常被當作回線power的監控器(monitor)使用。


WDM耦合器

WDM耦合器主要功能是使兩個波長相異的光信號從port輸入,再由輸出port輸出兩個光信號。除此之外WDM耦合器還可使相異的window光線進行分波、合波動作。


star coupler

star coupler主要功能是當分歧耦合器串聯連接時,它可使一個輸入port能同時具備16個甚至32個輸出port。除此之外某些star coupler是將複數條光纖作成束帶狀,再利用溶接拉伸方式製成。如(圖十四)所示類似有線電視基地台就是利用star coupler,使複數條光纖形成分歧狀結構。


《圖十四 star coupler的應用實例》
《圖十四 star coupler的應用實例》

資料傳輸系統的基本結構與關鍵技術

基本結構

(圖十五)是利用光纖形成資料傳輸系統結構,由圖可知送信端先將欲傳輸的資料進行多重化、電器-光學轉換以及波長多重化,接著輸入光纖內;收信端則依照波長將必要的光線取出,再經過光學-電器轉換與波長多重分離。一般而言電視轉播站與行動電話等高頻信號,通常是將電氣信號直接轉換成光學信號,再利用光纖進行傳輸,由於遠方的高頻信號也是使用相同方式作雙向資料傳輸,因此行動電話可在地下道進行通話。



《圖十五 是利用光纖形成資料傳輸系統結構》
《圖十五 是利用光纖形成資料傳輸系統結構》

雷射二極體(Laser Diode;LD)

雷射二極體(LD)與發光二極體(LED)等光學元件,主要功能是將電氣信號轉換成光學信號。LED的優點是價格低廉,缺點是無法獲得高輸出功率,同時也無法作高速變調。相較之下類似FP Type與DFB Type的LD,除了具備高輸出功率特徵之外還可作高速變調。


Photo Diode

Photo Diode同樣可將電氣信號轉換成光學信號,以往基於高感度等考量,Avalanche Photo Diode(APD)曾經是市場主流,不過目前大多已經改用PIN Photo Diode。


有關增加光纖通信傳輸容量的技術

利用複數相異波長提高傳輸速度

波長多重化(WDM)不但能提高各傳輸器的傳輸速度,同時還能藉由多重化的提升大幅增加傳輸容量。假設每條光纖的光power一定時,單位波長的power相對變小,不過在此同時相同波長間隔若作多重化,由於波長與波長之間相互作用,因此極易產生雜訊(noise),進而影響光纖通信的品質。


增加波長間隔,形成4~8波左右的多重化稱為CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex);波長間隔為0.8nm,數量超過40波以上者則稱為DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex),目前DWDM單位波長的傳輸速度大約是10Gbps~4010Gbps左右。


利用單波長提高傳輸速度

這種技術是由日本開發。如果以高速開/閉(ON/OFF)光源,理論上可以提高傳輸速度,不過相對的送信端需要搭配高速驅動電路(即使是LD光源也不例外)才能達成,收信端則需設置可將光學信號轉換成高速電氣脈衝的電路。此外在光纖中傳輸的光脈衝,極易受到高速後產生的「分散」的影響,因此傳輸波形必需作最適化處理,例如光學soliton通信方法就是利用光纖的非線形現象,以所謂的「soliton」波形進行高速傳輸。


增加光纖數量提高傳輸速度

如果有充分的光纖,增加光纖數量提高傳輸速度可說是很好的方法之一。


結語

自從光纖通信與半導體雷射技術開始商業化研究,並走入人們的生活之後,已經帶來無窮無盡的便利性與商業利益,其所能傳送的容量與距離都得到大幅度的提升。光傳輸速度接近30萬km/sec,只要有適當的光纖材料與光學連結器,就可以將光纖傳輸的損失量降至最低。但是以往利用光纖做長距離的光信號傳輸時,都需要進行繁瑣的光-電轉換作業,亦即先將光信號轉換成電氣信號,之後再將已增幅的電氣信號轉換為光信號,以達到光信號增幅的目的。當EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)問世之後,此一繁瑣的轉換程序得到了解決。EDFA可以直接將光信號增幅,使光纖通信技術得到革命性的進步。本文將在下期就EDFA技術的特性與原理進行深入探討,並介紹其他相關的光增幅器與光信號量測方式。


<下期預告:光增幅技術的誕生,已使得光纖通信技術得到革命性的進步。而光增幅技術如何解決困擾工程師已久的光-電轉換作業問題,並讓光纖通信進入高速大容量的傳輸時代?下一期的零組件雜誌將繼續為讀者詳細剖析,敬請期待!>


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