光纖通訊系統的類別

光纖通訊系統的類別


整體光纖通訊產業包括的範圍相當廣，從局端設備、傳輸設備、傳輸設備中的零組件、及用戶端的網路設備…等都有光纖通訊的專有產品，雖然產品相當繁雜，不過以目前已可商業化量產的產品來分類，其零組件大致可粗分為三大類：光纖及用光纖做成的光纜、光主動元件、及光被動元件等。



所謂光纖，目前仍是以石英玻璃所製成的細微纖維為最主要產品，最近也出現以塑膠為材料的塑膠光纖；數蕊光纖外加包覆材料合併成的纜線則稱為光纜；而光主動元件則包括提供光源的光發送器、接收光源的光接收器、及光放大器…等；在光被動元件方面所包含的產品更是繁多，例如最常見的光纖連接器、光調變器、光隔絕器、光纖耦合器、光衰減器…等。（詳見表一）

表一：光纖通訊系統的類別




以下將較重要的幾種零件加以解說：

 光纖：

1. 光纖為玻璃SiO2、塑膠等材質抽絲而成的光傳輸媒介，由於光波可透過光纖傳輸數據等資訊，具有傳輸頻帶寬、通訊量大、損耗低、不受電磁干擾、重量輕等特性。

2. 光纖構造方面，內層包含一根極細的玻璃柱，稱為軸芯(core)，外圈再以一圈稱為被覆層(cladding)的玻璃包圍，由於被覆層玻璃的折射率較軸芯玻璃柱小，軸芯中傳導的光線如果折射至被覆層，將以全反射的方式折回軸芯內，光波傳導的效率也提高許多。因此，光纖由內而外分為三部分： 1、軸蕊部份 (Core) ：即光纖中傳遞光信號的部份。 2、被覆層部份 (Cladding) ：被覆在軸蕊外圍，為使光線能在核心中傳送。３、保護層 (Jacket)： 被覆層外殼，可防止外力損害光纖之被覆層及軸蕊。

3. 光纖實際應用時，可集合多束光纖，再以保護層方式加強外殼防護，即成為所謂的光纜。由於光纖可使用的頻寬極大，現階段使用範圍約在565 Mbps上下，未來透過頻寬切割及分波多工方式，傳輸頻寬可望更進一步擴大

4. 光纖類型方面：可概分為單膜、多膜以及特殊用光纖，其中單模光纖因只傳輸一個模態，適用於大容量長距離的光纖通訊，在骨幹光纖佈建之時需求量最大，歷年所佔產值比重約八成，多膜光纖蕊徑較大，可同時傳輸多種模態，傳輸性能雖然較差，然因適用於區域光纖網路佈建使用，未來成長率尤勝單模光纖。特殊光纖則包括塑膠光纖等其他光纖，市場用量相對較小。



 光纜

1. 光纜則是將光纖集結後加上防水、被覆以及支撐介質，以達到維持原有光纖的傳輸特性，便於施工及保護光纖的功能。一般光纜的結構可分為光纖緩衝層、纜心以及抗張力體、被覆以及防水層等部分。而依其構造差異，可略分為 （1）、鬆帶型光纜（2）、溝槽型光纜（3）、溝槽型帶狀光纜（4）、帶狀光纖光纜四類（5）、光/電混合纜（6）、室內光纜（7）、通訊光纜等幾大類

2. 國內目前真正可自製光纖的廠商並不多，多半由國外買進光纖，加上封管加工製造成光纜。國外光纖廠商以康寧、朗訊、Alcatel、住友等為產業的領導廠商。


 光主動元件：

在整個光纖通訊系統架構當中，光纖主動元件可謂扮演了「承先啟後」的重要角色，因為光纖主動元件的功能主要有進行光電（或電光）轉換，與光訊號放大等等。



透過電光轉換，可將原本使用電氣訊號傳播資訊的過程，自由地改以光訊號進行之，俟抵達目的地後再進行光電轉換，將光訊號轉換回原先的電氣訊號，再由其他電子設備應用，故使得光纖通訊得以實現。此外，在傳播的過程當中，訊號不免會受到環境以及傳播介質的影響而隨著傳播距離增長而衰減，為了維持資訊的正確性，故在傳播過程當中，必須使用放大器將已衰減的訊號加強後再繼續傳送。正由於光纖主動元件具有轉換與放大等等的功能，使得資訊傳播得以使用較具效率的光纖為之，故光纖主動元件的確具有「承先啟後」的功用。



甲、 光收發模組：

i. 光收發模組係整合光傳送器(transmitter) 及光接收器(receiver)兩大功能，而形成的單一光訊號收發模組。因此，可將其區分為通訊用光源（發射器）及檢光器兩大部分，其中通訊用光源部分主要採用LED及LD兩種光源，LED單價雖然相對便宜，然而 LD因光源性質較佳，加上新開發的面射型雷射（VCSEL）光源性能優越，採用LD的光收發模組比重有逐年增加趨勢。

ii. 而檢光器部分尤為光收發模組最重要的關鍵組件，需具備高靈敏度、高頻寬、高可靠度以及低成本、易製造要求。目前檢光器所採用的元件，主要分為 PIN二極體 及APD二極體兩類，其中又以PIN二極體生產成本較低，所佔比重較大。

iii. 未來光纖網路傳輸速率要求將不斷提升，光源及檢光器性能的要求將成為光網路發展的重要關鍵。



乙、光放大器：

i. 過去，在光放大器仍未問世之前，必須先將光訊號還原回電子訊號，使用電子訊號放大器放大後，再轉換為光訊號傳送。這樣的過程不但繁複，而且電子訊號放大器的適用傳輸速率與頻寬固定，若光纖通訊系統傳輸速度提升下則必須全部更新，如此使得設備成本大增，然而光放大器則無此困擾。近期高密度分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM)系統的問世，使得資料傳輸速率大增，但之所以能夠普及，正是拜光放大器去除傳統光電轉換的障礙所賜。除了作為傳輸過程中的中繼器外，光放大器亦可加在發送器中以提高輸出功率，或者用於接收器中作為前級放大以提高靈敏度。

ii. 光放大器是在不經過光電轉換的狀況下，直接將光訊號加以放大的光主動元件，由於長距離的光纖通訊將面臨嚴重的光信號衰減問題，因此光纖網路中每隔適當的距離即需以中繼器或光放大器將訊號加以放大。而光放大器因不需經過光電轉換，在網路升級或調整格式時，便不需像中繼器一般加以更換。

iii. 光放大器主要可分為三大類：（1）、光纖放大器 (OFA)；（2）、半導體光放大器(SOA)；以及（3）、拉曼放大器(RA)三大類。光纖放大器乃利用摻稀土離子玻璃的增益特性，在光纖中直接將信號放大；半導體光放大器原理則與雷射二極體近似，可在直流偏壓下將入射於活性層內的光放大；拉曼放大器則是利用光與光纖原子間的非 線性交互作用，以產生的Stoke line達到放大功能。目前技術較成熟的光放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）、半導體光放大器三種。



 光被動元件：

光纖被動元件的主要功能是對光訊號作接續、分歧、濾波、衰減或隔離，故此類元件包括連接器、耦合器、分波多工器(Wavelength-Division Multiplexer)、光開關、濾波器、隔離器與衰減器等。在整個光纖通訊系統佈建時，整體通訊網路的連結全有賴光纖被動元件來達成，而被動元件的良窳與通訊品質息息相關。舉例來說，良好的被動元件可以使連結時的插入損失(insertion loss)盡可能降低，使得訊號較為清晰，並可確保線路連結的穩定，不致滑落或鬆動而造成通訊不良，因此被動元件可說是光纖通訊的基礎。



甲、 光連接器：

i. 光纖連接器是一種裝置在光纖終端的機械裝置，可用來作為光纖連接時光路徑的接續零件。依其接續的光纖種類不同，光纖連接器可概括分為單模光纖連接器及多模光纖連接器，而若再依半永久性及永久性光纖接續的用途不同，尚可在區分為光機械式接合以及機器熔接兩類接續方式。

ii. 一般衡量光纖連接器性能好壞與否，光訊號傳遞在經過兩個相連的連接器時，其能量耗損所得出的插入損失以及由連接器端面反射計算的反射損失兩項數據將是主要判斷標準。而未來符合線路施工及終端使用便利性的光纖連結器，在光纖網路鋪設人工成本偏高因素下，將是主要成長的產品。〈見表二〉

表二：各種環境對連接器的損耗要求

損耗程度 使用環境

0.2dB以下 長程通訊系統連接用

02.-0.75dB 建築物或工廠內系統連接用

1-3dB 在以成本為優先考量下，連接應用產品用



乙、 光纖耦合器：

i. 光纖耦合器一般又可稱為分歧器，主要用來將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中，由於光訊號傳遞並不像銅導線裡電訊號一般的容易分歧，因此欲將光訊號分散至不同管線時，即需要光纖耦合器加以分光。

ii. 因此，光纖耦合器廣泛應用於用戶迴路系統、區域網路、有線電視網路系統。組態方面一般可分為雙分支、樹 /星狀及分波多工三類；而依製造方法不同，亦可分為熔接式光纖燒結、微光學及平面波導式三類光纖耦合器。

iii. 其中微光學乃採用漸變折射率透鏡棒將光纖傳導的光擴大平行化後，再用半透明的反射鏡將光分成兩部分，分別用透鏡棒聚焦後耦合入光纖中。光纖燒結則是將兩條光纖併在一起熔融拉伸，使核蕊因聚合力而結合，達到光耦合作用，為目前成本最低、可靠性最高且國內業者生產比率最高的耦合器產品。平面波導方法則是採用火焰水解沈積法和光刻蝕，將波導結構製作在矽晶片上，以達到分光耦合作用，國外業者以該項技術生產耦合器比重較高。



丙、 分波多工器：

i. 分波多工乃是在同一條光纖內同時傳輸數個不同波長的光信號，以倍增光纖傳輸容量所開發的分工技術，由於分波多工可結合EDFA等光訊號放大技術，充分發揮光傳輸的高頻寬特性，將數百個不同波長的光信號同時傳播在同一光纖中，而依其原理開發出來的分波多工器（WDM： Wavelength Division Multiplexing）連帶也成為近年最熱門的光纖被動元件。

ii. 分波多工器為雙向性的被動元件，其多工性能可將不同波長光訊號組合入一條光纖中，而其解多工性能則可將一條光纖中傳輸的不同波長光訊號分離出來。



丁、 光纖光柵：

光纖光柵是一門新的技術，其所應用的範圍相當的廣，因此不只限用於光纖通訊上，所以在以後的市場上、應用上將有相當看好的市場;光纖光柵其工作原理來自纖核內Bragg光柵之反射機制，以現在最廣泛及最經濟之製成為相位光罩法，製作方法是將光纖剝除被覆後，置於高壓氫氣罐內一段時間後取出，再置於相位光罩(Phase Mask)下，再以準分子雷射(Excimer Laser)曝光約十分鐘即可成為一個反射某一個波長的反射器，而反射波長依相位光罩而定;而所需之主要設備為KrF準分子雷射、相位光罩以及相關光學器具;下圖一便是製做圖示。

圖一：光柵光纖的製作圖示





光纖光柵的應用相當的廣泛，可用於

• 可調波長式雷射(Tunable Laser)

• EDFA的濾波器(增益修飾元件)

• 智慧型結構(Smart Structure)

• 波長選擇器

• WDM濾波模組的製造

• 帶抑濾波器

• 搭配光纖耦合器和光纖旋波器可做出塞取多工器(OADM)

• 啁啾相位光罩(Chirped Phase Mask)製作啁啾光柵(Chirped Fiber Grating)當做色散補償器(Dispersion Compensator)

　因此光纖光柵是目前光通訊廠商相當重要的研發重點

戊、 光開關：

光開關為全光網路中，光纖訊號交互連結的主要元件，其作用主要在於將一光路徑建立或中斷，以決定光信號傳送方向。



己、 光衰減器：

i. 光衰減器可用於吸收或反射光訊號的餘量，或用於系統損耗的評估與測試。由於光訊號經過各項元件的傳輸，均將引發光源的頻率漂移及線路雜訊，因此，透過光衰減器以吸收相關雜訊將是確保高速光通訊品質的重要元件。

ii. 光衰減器目前已廣泛應用在光通訊市場，其產量僅次於連接器、耦合器，市場需求仍穩定成長。



庚、 光隔離器：

光隔離器是一種兩端口的光被動元件，主要功能在於使光訊號在傳輸方向衰減很小，而相反方向的光則不會被反射。主要應用在光發射模組、光放大器以及在高傳輸系統中，用以降低雜訊影響。



辛、高密度分波多工器

高密度分波多工器(Dense Wavelength-Division Multiplexer)為近期通訊上的重大發明，其工作原理與分波多工器相同，但其工作於同一波長頻帶，且不同波長間的間隔低於1nm，正因為其波長間隔甚短，故所使用光源頻寬必須很窄，例如DFB雷射，因為其頻寬最窄可達0.2nm，故相當適合使用。此外由於在解多工部份所使用的濾波器精密度也必須相當高，才能確保輸出端訊號的純淨。DWDM主要使用1550nm波長範圍光源，不同波長間間隔僅約0.8nm，故其光源多採用頻寬窄的DFB雷射，而濾波器的特性更決定DWDM的好壞。


中華民國 99.05.18

(本資料截取於網路)