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光纖技術

「光纖」就是能輸送光線的纖維。其實它與能輸送自來水的水管以及能輸送瓦斯的瓦斯管一樣,只是管子的粗細小了許多,管徑的大小大約只有萬分之一公尺,只比頭髮稍粗。「光纖」的主要功用就是傳輸「光波」,因為「光波」在空氣中傳送都是沿直線進行,很容易被障礙物阻擋,所以需要「光纖」來幫忙輪送。其實它的作用,與水管輸送自來水和瓦斯管輪送瓦斯的功能並無不同,只是「光纖」是根據「全反射」的原理來傳輸「光波」,而在「全反射」的狀況下,整條「光纖」就像一條周圍都是鏡子的管線,一旦光線進入這條管子,它再也跑不出來,只有乖乖地從進口的這一端乖乖地跑到出口的那一端,就完成了「光波」的傳輸。 其實,一旦「光波」進入「光纖」,或多或少的還是會從「光纖」內部漏出來,跑出來量的多少,跟「光纖」的品質有很大的關係。玻璃做的光纖,品質較好,價格較貴,漏出的光量較少;塑膠做的光纖,價格較低廉,但相對地漏光量也較大,這也是一分錢一分貨的道理。可是無論漏光量的大小,聰明的科學家與工程師們,都有因應的辦法:把「玻璃光纖」使用在需要傳真度較高的訊號傳輸,例如有線電視、光纖網路等應用上,而故意把漏光量大的塑膠光纖,應用到照明的用途上,像是把「塑膠光纖」環繞游泳池的周邊,不但達到省電照明的功效(比四周設置電燈要便宜),而且還有藝術的效果。這種化腐朽為神奇、把缺點變成優點的作法,其實就是能深切體會到「尺有所量,寸有所短」這個道理。其它還有許許多多的應用,我們在後面再一一的來介紹。 在日常生活中,我們時常聽到「光纖通訊(Optical Fiber Communications)」,但什麼是「光纖通訊」呢?它又是如何傳遞光的訊號呢?為了解這個問題,我們先從「光傳輸」的歷史講起。 以光作為通訊的觀念可以追溯回較古的時代,當時是用火光來傳遞訊號作為警戒用途。後來則是在海上航行的船隻利用燈號來作為通訊用途。至於第一項屬於「光通訊」的專利則是在西元1880年由貝爾(Alexander Graham Bell)發明的「光話機」(Photophone)所獲得。貝爾將太陽聚成一道極為狹窄的光束,照射在很薄的鏡子上,當人們發出聲音的「聲波」讓這面薄鏡產生振動時,「反射光」「強度」的變化使得感應的偵測器產生變動,改變「電阻」值。而接收端則利用變化的「電阻」值產生電流,還原成原來的「聲波」。當貝爾測試「光話機」成功時,他寫下了「我聽到光線的笑聲、咳嗽聲和歌唱聲」。 他的這項發明僅能傳播約200公尺,因為藉由空氣傳遞的光束,遇到的情況都不盡相同,例如霧、雨或雪都能阻擋光線,甚至在乾燥而新鮮的空氣中,光線強度仍會隨距離迅速減弱。當時貝爾雖曾預測這項發明「在科學世界裏,將遠比電話、留聲機和麥克風更有趣」,但由於光線在空氣中的衰減速度很快,使得「光通訊」並非很實用。因此,有人也想到了利用物質傳導光。所以在西元1870年時,約翰道耳(John Tyndall)作了一個實驗,讓「光波」在由桶底流出的水柱中傳播,因為光為「電磁波」的一種,所以我們稱水柱那樣可以傳導光波的物質為「波導(waveguide)」。介質「波導」的理論則始於西元1910年,由Hondros及Debye首先提出。 近代的「光纖通訊」始於1960年代,而使得「光纖」成為現在及未來通訊的主力乃是基於兩個事件的激發:首先是西元1960年美國物理學家梅門(Theodore Harold Maiman)成功地使紅寶石振盪產生「雷射光」。第二則為西元1966年,科學家高錕(Charles Kao)及George A. Hockham,他們預測所製作的「光纖」,能夠讓「光波」在其中傳輸一公里,仍有原來1﹪的光能量,那麼「光纖」就能夠像電纜一般,來作為傳輸工具。因為在當時,即使是最好的「光纖」,「光波」在其中傳輸20公尺就已使光能量降低至原來能量的1﹪。 到了西元1970年,由貝爾實驗室製作成功,可於常溫下連續振盪之半導體雷射(Semi-Conductor-Laser)及康寧玻璃工廠(Corning Glass Work)製造出每公里衰滅小於20分貝的低損失石英質(Silica)光纖後,「光纖」技術一日千里。今日,由於光電科技的發展,每公里衰滅低於1分貝,傳輸頻寬(「頻率寬度」)高於800MHZ的光電纜已可大量生產,再配合「高階數位多工」(High Order Digital Multiplex)技術的發展以及高性能「光電元件」(Opto-Electronic Device)的開發,每秒傳播速度高達九千萬「位元(Binary Digit,簡稱bit)」,甚至每到每秒四億「位元」之高速大容量光通訊系統,目前已達實用化的階段。 「光纖傳輸」的優點包括了:1.低損失與寬頻帶;2.尺寸小及彎曲半徑小;3.不導電、不輻射、不感應;4.重量輕等等。低損失與寬頻帶所提供的大傳輸量使得飄(Gone With The Wind)整個電影只要1秒鐘即可傳送至家裏的電視;甚至一條「光纖」中一次可容納2萬4仟門電話同時通話傳送。貝爾實驗所發展的光導系統,可結合聲音、類比數據、數位數據、影像電話及各種視訊的服務,因此,這對資訊的傳輸產生了相當大的革命,這種傳輸方式將會是未來有線電視臺(第四臺)傳播視訊的主流。 尺寸小及彎曲半徑小,質量輕的特點,使得「光纖」和「光纖」在空間的利用上獲得很多便利,例如它可用於飛行器材、飛行工具、船上以及城市擁擠的地下導管等等。又因「光纖」屬於「電介質波導」(電的不良導體),所以「光纖」不導電,不輻射及不感應之特性,可以避免諸如利用金屬作為傳輸介質所引起的輻射干擾,地迴路以及感應相關之麻煩問題上。 另外,因為「光纖」的運用彈性很大,使得工程師們得以選擇「光纖」作任何傳輸能量的使用。爾後,隨著系統擴增,只須改變終端的電子設備,就可以使「光纖」作高傳輸能量的使用。這是說「光纖」的訊號傳輸損失量為一定值,它的傳輸量能適應系統的需求做各種幅度的增長;而金屬的損失量卻是隨傳輸量的增加而加大,故傳輸量改變,整個系統也要改變,不如光纖的運用有彈性。 光在傳播之時,若經兩個不同「介質」的介面,由於介質傳遞光的速度不同,就會產生「折射」,例如插入水中的筷子好像折斷一般。當光從傳遞速度慢的介質到傳遞速度快的介質時,會有一部分「折射」,一部分「反射」,到了某一角度時會沒有「折射」,此時稱之為「全反射」。舉個例子來說,在大樓前的噴水池,為了夜晚時有美觀的效果,經常會在水池中放置五顏六色的燈光,但您可曾注意到從水中射出來的光只集中在燈中間部分,而在水及燈的周圍卻有光暈,這些光暈就是因為「全反射」,將手電筒放在注滿水之水桶中(水桶越大越好)往上照,此時大部分的光都會照出來,然後我們慢慢地將手電筒傾斜下來,就可看到「反射」的光越來越多,「折射」的光越來越少,一直輕斜至某一個角度時,可以看見水桶底下都是光,而上面卻沒有光透出來,這就是「全反射」現象。 光在水中傳遞的速度要比在空氣中傳遞的速度慢,故光從水中傳遞至空氣中時,便會有「全反射」現象。在這裏我們要介紹一個光纖上常用的專有名詞--「折射率(Refractive Index)」,即光在真空中(如太空)傳遞的速度與光在介質中傳遞速度的比值稱之為該介質的「折射率」。換言之,光從「折射率」大的介質到「折射率」小的介質,會產生「全反射」現象。玻璃的「折射率」比空氣的「折射率」大,因此光從玻璃到空氣也會有「全反射」的現象。「光纖」便是以玻璃纖維做為介質來傳遞光,使光利用「全反射」原理在玻璃和空氣介面作「全反射」,如此一來光就不會外洩。又光在「光纖」中可隨著玻璃纖維的方向而改變,就有如電纜上的電一樣。 當我們用無線電傳送資訊時,必須先化成一系列的電訊號,由發射站轉換成為「無線電訊號(Radio Signal)」,而接收站接到這些訊號後,再將其轉換成電訊號,之後再解碼轉換成我們需要的資訊。同理,光也可以藉著閃爍光源,如訊號閃光燈的開或關而產生一系列的圖形,我們稱之為「光訊號」。因為前面說過光比電有更大的傳輸資訊能力,也就是說光可以斷成為更短的脈衝,因此在相同的時間裏可形成更高密度且資訊豐富的圖形。在這種速率下,藉著合併圖形單元成為一個個的「堆積(Stack)」,就可在同一條纖維中,同時傳送很多不同的資訊。就如同汽車從交流道進入高速公路一樣,不會撞到其它汽車。這也就是為何「光纖」能同時容納很多資訊在其中傳輸的原因。 光纖的結構為圓形且細如髮絲之玻璃纖維,主要分為兩部分,裏層稱「核心(Core)」,通常以玻璃做成;外層稱為「纖殼(Clad)」。因為「光纖」是屬於介質波導之一種,故只要條件許可,也可使用特殊的塑膠材料或液體材料。由於「光纖」的「核心」的直徑只有數個「微米」(百萬分之一米)至數十「微米」,而「纖殼」的直徑也僅在一百至兩百「微米」之間,其本身相當微弱。因此,在一般應用中,會於外層再鍍上一層塑膠,並再加一層尼龍,以免受到外界化學物質的侵蝕。若將幾條如上述一般之光纖維起來,就可形成所謂的「光纖電纜」了,或簡稱為「光纜」。 「光纖」依其「折射率」分布之不同,可分為兩種:一種是「級(階)射率光纖(Step Index Fiber)」;另一種為「斜(緩)射率光纖(Graded Index Fiber)」。又可依「傳播模態」的不同,分為兩「單模態光纖(Single-Mode Fiber)」及「多模態光纖(Multi-Mode Fiber)」。在此要強調一點,除「單模態光纖」之外,其它如「級射率」或「斜射率」光纖則都屬於「多模態光纖」。「級射率光纖」因其「核心」與「纖殼」之「折射率」變化劇烈,因此「核心」射向外殼之光束會在介面產生「全反射」;光則不停的依「全反射」之形式傳播,沿中心軸前進的光線和反射前進的光線到達終點的時間有差異。「單模態光纖」之「核心」其直徑非常細,因此只有平行中心軸的光線進入「核心」,故光線到達終點的時間一致。「斜射率光纖」,因其「核心」「折射率」之變化是緩和且連續,又因光在介質中之速度和「折射率」成反比,故原先偏離中心軸的光線,經過連續曲折後,依序會再回中心軸,最後到達終點的時間大約一致。 「光纖」除應用在大量資訊傳輸之外,一般最常用的則是影像傳送,例如工程師可在安全距離檢查核能電廠的輻射區,「光纖」在醫學上的應用也很多,例如內視鏡,它是一根柔軟可彎曲且內含數條「光纖」的管子。當它滑入病人的嘴、鼻、消化道及其它心臟等由體外看不到的地方時,醫生便能由內視鏡看到內部變化,而減少進行冒險性手術的需要 基本結構包含內層的纖心〈折射率ncore,半徑a、直徑2a ,的圓對稱〉、及外層的纖衣〈折射率ncl,直徑d〉。因為,纖心較纖衣具有較高的折射率,使得內部的光波因滿足全反射而能做長距離的傳輸。纖衣直徑範圍大約從單模的4-8µm到多模的50-100µm,甚至在能量傳輸的應用上光纖的纖心直徑還達200-1000µm〈見section 0.5討論到應用的部分〉。Communications-grade 光纖的纖衣直徑範圍在125-140µm,和一些單模光纖80µm。高級的communications光纖,其纖衣以及纖心是由silica玻璃組成的。當然較低品質的光纖,就是由玻璃的纖心加上塑膠的纖衣,在壞一點的還有全由塑膠組成的光纖。後者具有較高的attenuation 係數,但只能被運用在短程的光纖應用。 光纖的速度介紹: 骨幹常用的光纖規格STM16及642的傳輸速率,為銅線E1及E5的速率,分別為5~1000及20~4000倍。 銅線與光纖傳輸速率比較 TDMSDH/SONET 傳輸規格傳輸速度傳輸規格傳輸速度 E12.048MbpsOC-1/STM052Mbps E28.448MbpsOC-3/STM1155Mbps E334.368MbpsOC-12/STM4622Mbps E4139.268MbpsOC-48/STM162.5Gbps E5565.148MbpsOC-192/STM6410Gbps 以家庭頻寬需求來看,至2005年以前,XDSL及Cable還算可滿足需求,但至2010年,家庭頻寬需求達100Mbps以上,則光纖到家FTTH將可達到。但以企業需求來看,光纖到辦公室FTTO則目前已經有此需求,並也已實行。但依據ITU預估,至2004年,接取網路中的XDSL及Cable,佔有率可達七成,光纖則不到1%。因此至2010年以前,光纖應用還將會已骨幹網路為主,接取網路須在2001年以後。 寬頻服務對頻寬的需求   2000年2005年2010年 家庭容量64K~1.5Mbps1.5~10Mbps100Mbps 應用Internet接入、視訊電話高速Internet接入、遠距醫療及教學、隨選視訊(VOD)多頻道隨選視訊、家庭辦公 企業容量10~150Mbps150~600Mbps600M~100Gbps 應用LAN連接、視訊會議LAN連接、高速LAN辦公LAN連接、高速LAN辦公
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