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光纖通訊發展: 編輯

光纖通訊 (Optical Fiber Communications)的觀念,並不是現在才擁有。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。至於第一項專利發明則是在1880由貝爾發明的「光話機」(Photophone)。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」。貝爾這項發明僅能傳播約200公尺,且因為藉著空氣傳遞的光束,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。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(JohnTyndall)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,所以稱水柱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發生: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,科學家高錕及George A. Hockham。高錕發現,光學傳輸線的訊息容量,比金屬纜的容量大幾千倍。由於光學纖維的波導可以完全互相隔離,所以完全沒有相互干擾的現象。而且,玻璃纖維的體積比金屬纜小,價格亦較為低廉。1963年,他開始對玻璃纖維進行理論和實用方面的研究工作。他設想出一種利用玻璃纖維傳送激光脈沖以代替用金屬纜輸出電脈沖的通訊方法。1966年他提出用玻璃代替銅線,利用玻璃清徹透明的本質,使用光來傳輸訊息。比起傳統的銅線,玻璃傳輸的數量與速度都快上千萬倍?這種玻璃,就是改變了人類通訊模式的光纖。 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」,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。


光纖通訊應用之分類: 編輯

光纖通訊系統發展的應用目前大致可分為三大類:電信傳輸方面、光纖區域網路方面、光纖有線電視方面(含數位電視系統)。

電信傳輸方面: 編輯

在最早期的電信架構上,是由一中央交換機(Centralized Switch,或稱交換所)與各用戶(End User)直接連線,稱為中央交換網路,單一線路只服務一個最終用戶,但由於各用戶間所處的距離長短不一,為避免長距離線路侷限於只被一位使用者佔用,造成通訊設備因無效率的運用而形成的浪費,所以階層網路(Hierarchical Network)也就衍生而成。階層網路的架構,原則上在地方是由『交換所』及用戶所組成的中央交換網路負責,各中央交換網路再以頻寬較大的『幹線』(Carrier Trunks)相互連接,並用多工(Multiplexing)的方式以增加幹線的傳輸容量,現在使用較多的多工技術是以『分時多工』(Time Division Multiplexing,TDM)為主;在階層網路下,由於地區性的通訊交由各地區的中央交換網路處理,而長途通訊才會經由多工機再透過幹線來傳輸,因此地區性通訊與長途通訊的資源使用都可得到較有效率的分配,並且能夠獲得較大的傳輸容量。 隨著光纖技術的應用增加,SONET/SDH的光纖傳輸協定標準也就被制訂出來,SONET(Synchronous Optical Network,同步光纖網路)與SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步數位階層)的基本架構都是以同步傳送模式作為基礎,只是SONET是由美國訂定的光纖傳輸標準(美規),SDH是ITU(International Telecommunication Union)根據SONET為藍本,之後再訂定改編適用於美國以外的全球同步傳輸標準,此標準除了適用於光纖網路外,也適用於其他以『同步傳輸』為標準的傳輸方式。目前在全球許多國家的長途骨幹網路上都已普遍採用SONET/SDH的光纖網路,大多以提供2.5Gbps、5Gbps、或10Gbps的系統為主,在中繼幹線上則是OC-3及OC-12為多數。 不過因為SONET/SDH等同步傳輸技術具有部分先天上的限制及數據資訊傳輸的增加,ATM網路傳輸將會成為未來另一重要的骨幹傳輸架構,未來新一代的骨幹網路許多都會採用ATM架構。ATM(Asynchronous Transfer Mode,非同步傳輸模式)正如其名為一種非同步的傳輸方式,最主要特別的地方即是運用許多固定長度的訊框(Fixed-length Cells) (53 bytes)進行資訊傳輸,此運送方式可提供有時間先後性的資料(如語音及影像)進行高速(2.5Gbps以上)傳輸,並且可以達到『品質服務』(Quality of Service,QoS)的保證。由於ATM具有網路建構彈性、未來設備擴充性、及傳輸速度…等特性,所以ATM的崛起也將助益於光纖網路的發展與盛行,能使光纖傳輸發揮更大的效用。WDM與DWDM等多工技術的出現,可以使光纖傳輸更有效率,大大地提高光纖通訊的應用範圍。 雖然SONET/SDH的光纖傳輸方式為目前較普及的傳輸方式,不過由於SONET架構上的光纖資訊都是只能以單頻率(也就是單色)的方式傳輸,在目前頻寬需求殷切的時代來說似乎較不符合效益,所以也就有了以不同波長作為多工的『分波多工』(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技術,WDM的簡單原理就是利用一條光纖傳輸兩個或以上不同波長(顏色)的光訊號以達到增加容量或頻寬的多工效果;最近幾年,光纖多工的技術又更進一步達成了『高密度分波多工』(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM),所謂DWDM與WDM原理類似,只不過DWDM可以高密度的方法讓八個以上不同波長的光資訊同時透過一條光纖傳輸,以現今的技術最多可將約80筆的資料封包多工放在單一光纖上傳輸,以充分達到寬頻的效果,並且大大地降低光纖通訊的傳輸成本;如果以DWDM的技術再配合摻鉺光纖放大器(EDFA)的運用,現在已成為有線通訊增加傳輸容量的最佳解決方式。


光纖區域網路方面: 編輯

人們對於頻寬的需求帶動了光纖區域網路的發展如前所述,由於價格高昂及需求的問題,所以早期光纖發展僅限於長途通訊幹線上的運用,不過近幾年在通訊量的快速增加及網際網路的爆炸性成長下,光纖網路的應用已從過去的長途運輸(Long Haul Transport)的骨幹網路擴展到大城市運輸(Metro Transport)的區幹線,未來一、二年更會因為Datacom流量的增加、技術的進步、及光通訊成本的下降,而使光通訊的應用再度向接取端傳輸(Edge Transport)的中繼幹線(如Fiber to the Building…等)發展。 雖然光纖產品的售價快速下降,但由於光纖產品價格要降到一般消費者可以接受的範圍及實際工程架設的困難,所以在短期內光纖到桌(Fiber to the Desk,FTTD)應仍是不多見,不過在光纖區域網路的骨幹上卻是未來一年內即可見到。目前在光纖區域網路的主流是Fast Ethernet(100Mbps以上)及Gigabit Ethernet(1Gbps以上),由於光區域網路在成本的考量上比電信骨幹網路較為重要,所以其光源大多使用成本低廉的LED及新發展的VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、垂直共振腔表面放射雷射),將增加光纖區域網路的普及性。


光纖有線電視方面: 編輯

早期有線電視傳輸的介質是採用同軸電纜(Coaxial Cable)傳輸,整個同軸電纜所運用的頻帶也只有從50MHz到550MHz,大約可放送100個頻道,其他剩餘的頻帶卻因沒有使用而形成浪費,之後因為HFC(Hybrid Fiber Coaxial、光纖同軸電纜)架構及雙向傳輸的出現,因此有線電視系統也可運用在數據資料的傳輸。HFC主要是用光纖將訊號從頭端(Head-end)傳送到在用戶附近的光投落點(Optical Network Unit、ONU),之後再用同軸電纜以串接的方式將高品質的射頻訊號送到500~1000個用戶處。 HFC用50~550MHz的頻帶下載電視節目,另運用550~750MHz的頻帶以調變的方式進行數據、影像、或電話…等數位的下載服務,此外再用5~35MHz的頻帶作為訊號的上行使用。 由於這兩年運用同軸電纜作雙向傳輸的市場呈現倍數的成長,過去舊型的傳統線纜架構都必須重新鋪設HFC,所以有線電視傳輸市場也將成為光纖傳輸快速成長的另一動力。資訊變化的快速,需求服務速度也不斷加快,為了使資料量更大更清晰完整傳送,數位化的趨勢搭配光纖寬頻網路的服務更可以確立數位電視在未來的家電系統中是一個不可或缺的角色。

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