光纤通讯概述

光纤通讯(Fiber-optic communication)也称光纤通信，是指一种利用光与光纤(optical fiber)传递资讯的方式。属于有线通信的一种。光经过调变(modulation)后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的影响 ，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大，保密性好等优点。光纤通信已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。2009年诺贝尔物理学奖得主、前香港中文大学校长高锟教授为光纤通讯领域的先驱，被誉为”光纤之父.'

自古以来，人类对于长距离通讯的需求就不曾稍减。随着时间的前进，从烽火到电报，再到1940年第一条同轴电缆(coaxial cable)正式服役，这些通讯系统的复杂度与精细度也不断的进步。但是这些通讯方式各有其极限，使用电气讯号传递资讯虽然快速，但是传输距离会因为电气讯号容易衰减而需要大量的中继器(repeater);微波(microwave)通讯虽然可以使用空气做介质，可是也会受到载波频率(carrier frequency)的限制。到了二十世纪中叶，人们才了解使用光来传递资讯，能带来很多过去所没有的显著好处。然而，当时并没有同调性高的发光源(coherent light source)，也没有适合作为传递光讯号的介质，所以光通讯一直只是概念。直到1960年代，雷射(laser)的发明才解决了第一项难题。1970 年后康宁公司(Corning Glass Works)发展出高品质低衰减的光纤则是解决了第二项问题，此时讯号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通讯之父高锟所提出的每公里衰减20分贝(20dB/km)关卡，证明了光纤作为通信介质的可能性。与此同时使用砷化镓(GaAs)作为材料的半导体雷射(semiconductor laser)也被发明出来，并且凭借体积小的优势而大量运用于光纤通讯系统中。1976年，第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。经过了五年的研发期，第一个商用的光纤通讯系统在1980年问市。这个人类史上第一个光纤通讯系统使用波长800纳米(nanometer)的砷化镓雷射作为光源，传输的速率(data rate)达到45Mb/s(bits per second)，每10公里需要一个中继器增强讯号。第二代的商用光纤通讯系统也在1980年后发展出来，使用波长1300纳米的磷砷化镓铟(InGaAsP)雷射。早期的光纤通讯系统虽然受到色散(dispersion)的问题而影响了讯号品质。但是1981年单模光纤(single-mode fiber)的发明克服了这个问题。到了1987年时，一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通讯系统的速率快了将近四十倍之谱。同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。

1980年代末，EDFA的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑似的事件，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使了DWDM的诞生。第三代的光纤通讯系统改用波长1550纳米的雷射做光源，而且讯号的衰减已经低至每公里0.2分贝(0.2dB/km)。之前使用磷砷化镓铟雷射的光纤通讯系统常常遭遇到脉波延散(pulse spreading)问题，而科学家则设计出色散迁移光纤(dispersion-shifted fiber)来解决这些问题，这种光纤在传递1550纳米的光波时，色散几乎为零，因其可将雷射光的光谱限制在单一纵模(longitudinal mode)内。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100公里远。第四代光纤通讯系统引进了光放大器(optical amplifier)，进一步减少中继器的需求。另外，波长分波多工器(wavelength-division multiplexing, WDM)技术则大幅增加传输速率。这两项技术的发展让光纤通讯系统的容量以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率，足足是80年代光纤通讯系统的200倍之多。近年来，传输速率已经进一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一个中继器。第五代光纤通讯系统发展的重心在于扩展波长分波多工器的波长操作范围。传统的波长范围，也就是一般俗称的“C band”约是1530纳米至1570纳米之间，新一带的无水光纤(dry fiber)低损耗的波段则延伸到1300纳米至1650纳米间。另外一个发展中的技术是引进光固子(optical soliton)的概念，利用光纤的非线性效应，让脉波能够抵抗色散而维持原本的波形。1990年至2000年间，光纤通讯产业受到因特网泡沫的影响而大幅成长。此外一些新兴的网络应用，如随选视讯(video on demand)使得因特网带宽的成长甚至超过摩尔定律(Moore''''s Law)所预期集成电路芯片中晶体管增加的速率。而自因特网泡沫破灭至2006年为止，光纤通讯产业透过企业整并壮大规模，以及委外生产的方式降低成本来延续生命。发展前沿就是全光网络了，使光通信完全的代替电信号通讯系统，当然，这还有很长的路要走。