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晶瑩剔透般的光纖通訊特性－洋洋得意報NO.3
洋洋實業團隊 撰 2006-04-20
光纖通訊具有不受電磁波干擾、長距離傳輸以及通訊容量遠大於電纜線的優點，已逐漸成為通訊的主流。光纖在發展初期其實遇到許多技術上的瓶頸，因為太陽光、燈光…等普通的可見光源，不適合作為光纖通信的光源，從通信技術上看，這些光都是帶有雜訊的光。也就是說，這些光的頻率不穩定、不單一，光的性質也很複雜；換言之，就是光不純。因此，真要用光來通信，必須要解決兩個最根本的問題：一是必須有穩定的、低損耗的傳輸介質，另一個問題是必須要找到高強度的、可靠的光源。實際上光纖通信系統使用的不是單根光導纖維，而是由許多光纖維聚集在一起組成的光纜。一根直徑為1釐米的光纜，裏面有近百根光導纖維。光纜和電纜一樣可以架在空中，埋入地下，也可以鋪設在海底。它真正的出現始於鐳射（Laser）的發明，晶瑩剔透的鐳射，才使得光纖進入實際應用階段。為了提高光纖的實用性，科學家開始專注於光纖材料質量上的研究，1960年美國的梅門（Maimen）教授發明了紅寶石鐳射二極體，世界上第一台紅寶石激光器出現。
然而，利用光來進行通信卻是在1970年代才迅速發展起來的新技術，1970年美國康寧公司（Corning Glass）製成低損失率之單模光纖，再加上鐳射技術的應用，世界上第一根耗損率為每公里20分貝的套層光纖。第一根高純度石英光纖，開創了光纖通信的新頁，通信光纖研究躍進了一大步，開始了光纖用來傳送資料的開端。同年代初期（1970年），美國杜邦公司開始了用戶資料通信以塑膠光纖為基礎的研究工作，杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材製出塑膠光纖，但光損耗較大。在此後的十年，能夠傳輸光信號的新一代低損耗光導纖維研製成功，從此宣告了光纖通信時代的正式開始。光纖除了可提供通信用途外，光纖也應用於製作靈敏的光纖傳感器。光纖可以改變光直來直往的習慣，使用光纖可以讓圖像沿著曲線傳輸。再醫學上利用光纖做成的「內視鏡」，醫生可以看到病人胃中和腸中的情況來進行診斷。光纖還有高能量的能力，所以現在已經有利用光纖做為鐳射手術刀，並已經在臨床上使用。再製造業方面也有結合機器人來操縱傳導鐳射光束的光纖來進行切割和焊接等加工。對於傳輸電信、通訊以及高資料量的影像更是一大利器。今天，跨越大西洋和太平洋的海底光纜線路已於1994年正式開通使用。同時可供數十萬人以上的跨洋通話，數百個電視節目的傳送，同時進行轉播。目前，世界上已有的光纖通信線路已超過1,000萬公里，足足可環繞地球數百圈以上。
光纖的光源主要是半導體鐳射。當電的訊號經過驅動電路後，經由半導體鐳射轉換成光的訊號，再經放大器放大及訊號處理器處理後，就成為輸出訊號輸出，波長在0.8~1.5微米之間。光纖傳遞的是光波，因此沒有電磁波干擾的問題。在長距離的傳送中其訊號衰減也較少，通常傳送數十公里的情況不需要訊號增益器來做中繼。光纖的頻寬可達到數個GHz，可大量而且高速率的傳送資料。除此之外，光纖本身體積小、重量輕也是其優點。一條光纖連接二個元件，因此較適合點對點（Point to Point）的傳送方式，而不適合用於廣播式傳送。由於光纖製造成本較高而且尚未被大量的使用，因此在價位上比傳統電話使用的雙絞銅線或有線電視使用的同軸電纜，仍然高出許多。不過由於利用它傳輸，具有多項的優點，它仍有極佳的潛力。光纖具有很多的特性，大致可分為以下六項，整理如下：
光纖具有高頻寬的通信能力：其頻寬可達1~100GHz以上。一般普通同軸電纜的頻寬約330MHz~750MHz，相較之下，光纖有著極高之載訊容量。光纖可傳送上百萬條電話線路，也可以傳輸上百個電視節目。如果把十幾根或上百根光纖組成光纜，再使用分波多工技術，其通信容量就為驚人，並且它極為適合使用於數位信號的傳輸。
長距離傳輸的損失極低：它與傳統的銅線電纜傳輸系統比較，每公里之傳輸損失很低。單模光纖的最大中繼距離可達上百公里，比同軸電纜大幾十倍。目前的技術可使光纖的最低損耗達到0.2dB/km以下的標準，未來甚至更低。由於光纖的損耗小，使通信無中繼傳輸距離大大增加。也就是說外加中繼器增強信號之數目可以大大減少，如此在網路的建構上，可以節省很多經費。
光纖導線的體積小、重量輕：如果以相同頻寬或回路數來比，光纜要比電纜輕90％~95％，即光纜重量僅為電纜重量的十分之一到二十分之一，而且直徑不到電纜的五分之一，因此在架設時較為方便。再者，光纖質細並富可繞性，容易集結成束，集結成光纖組纜埋設時，可節省管道使用的空間。
光纖不受電磁波的干擾：它是由非金屬的石英介質材料構成，由於它是一種絕緣體的形式，因此不會受到外界電磁波的干擾，通信的傳真度也較高。並同時有傳送資訊保密性強的特色，特別適合軍事通信。
光纖材料易於取得：它主要構成材料是二氧化矽（SiO2）玻璃，其資源十分豐富。相對於電纜的銅、鉛等材料，可以說是取之不盡、用之不竭。
六、光纖材料耐用、壽命長：它具有不腐蝕、耐火、耐水的特性，因此，利用光纖傳輸可節省經營成本，使用年限長。
然而光纖本身也有一些缺點，例如：光纖質地較脆、耐機械強度低、工法技術層次高，需要比較好的切割及連接技術，在支結、分路及耦合的方式也比較複雜，相對的成本也較高。但這些問題都會隨著科技的發展進步而變得容易解決。光纖的傳輸是現今最快的一種傳輸媒介與通信管道，由於光纖系統具有上述諸多之特性，各國皆看好光纖通信之前景，並已投入大量財力、人力來研究開發。
光纖由直徑大約為0.1mm的細玻璃絲構成。它透明、纖細，雖比頭髮絲還細，卻具有把光封閉在其中並沿軸向進行傳播的導波結構。光纖通信就是因為光纖的這種神奇結構而發展起來的以光波為載頻，光纖為傳輸介質的一種通信方式。它具有很強的抗干擾性、保密性和可靠性高；它的傳輸損耗小，不會因線纜的過長而帶來傳輸品質的衰落，也沒有頻寬上不足的問題；它還具有體積小、重量輕、鋪設容易等優點。現今應用在有線電視的光纖傳輸系統主要有1310nm（n=10-9）與1550nm二大系統；一般有線業者多以前者（1310nm）系統居多，而電信系統則採較粗的後者為主。1999年全球各別地區光纖銷售數量，北美地區約1800萬芯公里，其中美國將近佔了九成。亞洲地區各國的光纖舖設增加率相對較高，銷售數量中國約600萬芯公里，韓國、印度各大概100萬芯公里。另外，南美地區尤其是巴西發展的潛力不容忽視。世界主要的光纖生產商有美國的康寧（Corning）和朗訊（Lucnet），以及日本的住友電（Sumitomo）、藤倉（Fujikura）與古河電工（Furukawa）等公司，其中康寧佔有率最高。
隨著資訊時代的來臨，容量大、低損失、可靠度佳的通信網路是不可或缺的，光纖通信系統是最佳的選擇。雖然光纖每個單位的製造成本目前比銅線要高出幾倍，但由於光纖的通信容量很大，損耗又低，傳輸信號的距離很遠，因而可以減少傳輸線路中的中繼設備。若按回路需求與傳輸距離來計算的話，它的成本反而遠比銅電纜低的多。光纖的成長持續很穩定，再加上網路時代的需求，未來將更快的速度繼續成長，銅線的傳輸將由光纖取代之，未來通訊技術將努力朝「信號數位化」、「通路光纖化」的目標邁進。
