光纖通訊概述

光纖通訊(Fiber-optic communication)也稱光纖通信，是指一種利用光與光纖(optical fiber)傳遞資訊的方式。屬于有線通信的一種。光經(jīng)過調(diào)變(modulation)后便能攜帶資訊。自1980年代起，光纖通訊系統(tǒng)對于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響 ，同時也在數(shù)位時代里扮演非常重要的角色。光纖通信傳輸容量大，保密性好等優(yōu)點。光纖通信已經(jīng)成為當今最主要的有線通信方式。將需傳送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過傳輸媒質(zhì)傳送到遠處的接收端，由接收機解調(diào)出原來的信息。2009年諾貝爾物理學(xué)獎得主、前香港中文大學(xué)校長高錕教授為光纖通訊領(lǐng)域的先驅(qū)，被譽為”光纖之父.'

自古以來，人類對于長距離通訊的需求就不曾稍減。隨著時間的前進，從烽火到電報，再到1940年第一條同軸電纜(coaxial cable)正式服役，這些通訊系統(tǒng)的復(fù)雜度與精細度也不斷的進步。但是這些通訊方式各有其極限，使用電氣訊號傳遞資訊雖然快速，但是傳輸距離會因為電氣訊號容易衰減而需要大量的中繼器(repeater);微波(microwave)通訊雖然可以使用空氣做介質(zhì)，可是也會受到載波頻率(carrier frequency)的限制。到了二十世紀中葉，人們才了解使用光來傳遞資訊，能帶來很多過去所沒有的顯著好處。然而，當時并沒有同調(diào)性高的發(fā)光源(coherent light source)，也沒有適合作為傳遞光訊號的介質(zhì)，所以光通訊一直只是概念。直到1960年代，雷射(laser)的發(fā)明才解決了第一項難題。1970 年后康寧公司(Corning Glass Works)發(fā)展出高品質(zhì)低衰減的光纖則是解決了第二項問題，此時訊號在光纖中傳遞的衰減量第一次低于光纖通訊之父高錕所提出的每公里衰減20分貝(20dB/km)關(guān)卡，證明了光纖作為通信介質(zhì)的可能性。與此同時使用砷化鎵(GaAs)作為材料的半導(dǎo)體雷射(semiconductor laser)也被發(fā)明出來，并且憑借體積小的優(yōu)勢而大量運用于光纖通訊系統(tǒng)中。1976年，第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。經(jīng)過了五年的研發(fā)期，第一個商用的光纖通訊系統(tǒng)在1980年問市。這個人類史上第一個光纖通訊系統(tǒng)使用波長800納米(nanometer)的砷化鎵雷射作為光源，傳輸?shù)乃俾?data rate)達到45Mb/s(bits per second)，每10公里需要一個中繼器增強訊號。第二代的商用光纖通訊系統(tǒng)也在1980年后發(fā)展出來，使用波長1300納米的磷砷化鎵銦(InGaAsP)雷射。早期的光纖通訊系統(tǒng)雖然受到色散(dispersion)的問題而影響了訊號品質(zhì)。但是1981年單模光纖(single-mode fiber)的發(fā)明克服了這個問題。到了1987年時，一個商用光纖通訊系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)高達1.7Gb/s，比第一個光纖通訊系統(tǒng)的速率快了將近四十倍之譜。同時傳輸?shù)墓β逝c訊號衰減的問題也有顯著改善，間隔50公里才需要一個中繼器增強訊號。

1980年代末，EDFA的誕生，堪稱光通信歷史上的一個里程碑似的事件，它使光纖通信可直接進行光中繼，使長距離高速傳輸成為可能，并促使了DWDM的誕生。第三代的光纖通訊系統(tǒng)改用波長1550納米的雷射做光源，而且訊號的衰減已經(jīng)低至每公里0.2分貝(0.2dB/km)。之前使用磷砷化鎵銦雷射的光纖通訊系統(tǒng)常常遭遇到脈波延散(pulse spreading)問題，而科學(xué)家則設(shè)計出色散遷移光纖(dispersion-shifted fiber)來解決這些問題，這種光纖在傳遞1550納米的光波時，色散幾乎為零，因其可將雷射光的光譜限制在單一縱模(longitudinal mode)內(nèi)。這些技術(shù)上的突破使得第三代光纖通訊系統(tǒng)的傳輸速率達到2.5Gb/s，而且中繼器的間隔可達到100公里遠。第四代光纖通訊系統(tǒng)引進了光放大器(optical amplifier)，進一步減少中繼器的需求。另外，波長分波多工器(wavelength-division multiplexing, WDM)技術(shù)則大幅增加傳輸速率。這兩項技術(shù)的發(fā)展讓光纖通訊系統(tǒng)的容量以每六個月增加一倍的方式大幅躍進，到了2001年時已經(jīng)到達10Tb/s的驚人速率，足足是80年代光纖通訊系統(tǒng)的200倍之多。近年來，傳輸速率已經(jīng)進一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一個中繼器。第五代光纖通訊系統(tǒng)發(fā)展的重心在于擴展波長分波多工器的波長操作范圍。傳統(tǒng)的波長范圍，也就是一般俗稱的“C band”約是1530納米至1570納米之間，新一帶的無水光纖(dry fiber)低損耗的波段則延伸到1300納米至1650納米間。另外一個發(fā)展中的技術(shù)是引進光固子(optical soliton)的概念，利用光纖的非線性效應(yīng)，讓脈波能夠抵抗色散而維持原本的波形。1990年至2000年間，光纖通訊產(chǎn)業(yè)受到因特網(wǎng)泡沫的影響而大幅成長。此外一些新興的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如隨選視訊(video on demand)使得因特網(wǎng)帶寬的成長甚至超過摩爾定律(Moore''''s Law)所預(yù)期集成電路芯片中晶體管增加的速率。而自因特網(wǎng)泡沫破滅至2006年為止，光纖通訊產(chǎn)業(yè)透過企業(yè)整并壯大規(guī)模，以及委外生產(chǎn)的方式降低成本來延續(xù)生命。發(fā)展前沿就是全光網(wǎng)絡(luò)了，使光通信完全的代替電信號通訊系統(tǒng)，當然，這還有很長的路要走。