光纤通讯

构成光接收器的主要元件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管（photo diode），例如p-n接面二极管、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波长分波多工器中。

光接收器电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数位讯号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路（clock recovery, CDR）以及锁相回路（phase-lock loop, PLL）将讯号做适度处理再输出。

在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是雷射二极管（laser diode）。LED与雷射二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性（noncoherent），而后者则为同调性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。

LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在30纳米至60纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的1%可以转换成光功率，约是100毫瓦特[micron (μ) Watt (μW)]左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网路（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波长分波多工网络中。

半导体雷射的输出功率通常在100微瓦特（μW）左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。雷射的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（model dispersion）。半导体雷射亦可在相当高的操作频率下进行调变，原因是其复合时间（recombination time）非常短。

半导体雷射通常可由输入的电流有无直接调变其开关状态与输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，雷射光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的电吸收光调变器（electroabsorption modulator）或是马赫·任德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光讯号加以调变。外接的调变元件可以大幅减少雷射的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得雷射的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

过去光纤通讯的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术，同时每隔20公里就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。

光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂（doping）稀土族元素（rare-earth）如铒（erbium），再以短波长雷射激发（pumping）之。如此便能放大光讯号，取代中继器。

光纤缆线包含一个核心（core），包层（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃（silica glass）制成，但是也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力（acrylate）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈或撞击碰压，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

利用光纤做为通讯之用通常需经过下列几个步骤：

以发射器（transmitter）产生光讯号。

以光纤传递讯号，同时必须确保光讯号在光纤中不会衰减或是严重变形。

以接收器（receiver）接收光讯号，并且转换成电讯号。

光纤常被电话公司用于传递电话、因特网，或是有线电视的讯号，有时候利用一条光纤就可以同时传递上述的所有讯号。与传统的铜线相比，光纤的讯号衰减（attenuation）与遭受干扰（interference）的情形都改善很多，特别是长距离以及大量传输的使用场合中，光纤的优势更为明显。然而，在城市之间利用光纤的通讯基础建设（infrastructure）通常施工难度以及材料成本难以控制，完工后的系统维运复杂度与成本也居高不下。因此，早期光纤通讯系统多半应用在长途的通讯需求中，这样才能让光纤的优势彻底发挥，并且抑制住不断增加的成本。

从2000年光通讯（optical communication）市场崩溃后，光纤通讯的成本也不断下探，已经和铜缆为骨干的通讯系统不相上下。

对于光纤通讯产业而言，1990年光放大器（optical amplifier）正式进入商业市场的应用后，很多超长距离的光纤通讯才得以真正实现，例如越洋的海底电缆。到了2002年时，越洋海底电缆的总长已经超过250000公里，每秒能携带的资料量超过2.56Tb，而且根据电信业者的统计，这些数据从2002年后仍然不断的大幅成长中。

为了能让不同的光纤通讯设备制造商之间有共通的标准，国际电信联盟（International Telecommunications Union, ITU）制定了数个与光纤通讯相关的标准，包括：

ITU-T G.651, "Characteristics of a 50/125 μm multimode graded index optical fibre cable"

ITU-T G.652, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"

其他关于光纤通讯的标准则规定了发射与接收端，或是传输介质的规格，包括了：

10G以太网路（10 Gigabit Ethernet）

光纤分布式数据接口（FDDI）

光纤通道（Fibre channel）

HIPPI

同步数位阶层（Synchronous Digital Hierarchy）

同步光纤网络（Synchronous Optical Networking）

此外，在数位音效的领域中，也有利用光纤传递资讯的规格，那就是由日本东芝（Toshiba）所制定的TOSLINK规格。采用塑胶光纤（plastic optical fiber, POF）作为媒介，系统中包含一个采用红光LED的发射器以及整合了光侦测器与放大器电路的接收器。

虽然已经出现很多技术降低诸如色散之类的问题，也使得光纤通讯系统的容量已经达到14Tb/s以及160公里的传输距离，仍然有些问题需要工程师与科学家的研究与克服。以下是这些问题的简单讨论。

光纤通讯讯号色散

对于现代的玻璃光纤而言，最严重的问题并非讯号的衰减，而是色散问题，也就是讯号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠，使得接收端难以判别讯号的高或低。造成光纤内色散的成因很多。以模态色散为例，讯号的横模（transverse mode）轴速度（axial speed）不一致导致色散，这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中，模态间的色散可以被压抑得很低。

但是在单模光纤中一样有色散问题，通常称为群速色散（group-velocity dispersion），起因是对不同波长的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布，这也造成了光波在光纤内部会因为波长的些微差异而有不同的折射行为。另外一种在单模光纤中常见的色散称为极化模态色散（polarization mode dispersion），起因是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波，但是这个横模的光波却可以有两个方向的极化（polarization），而光纤内的任何结构缺陷与变形都可能让这两个极化方向的光波产生不一样的传递速度，这又称为光纤的双折射现象（fiber birefriigence）。这个现象可以透过极化恒持光纤（polarization-maintaining optical fiber）加以抑制。

光纤通讯讯号衰减

讯号在光纤内衰减也造成光放大器成为光纤通讯系统所必需的元件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞立散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及连接器造成的损失。虽然石英的吸收系数只有0.03dB/km，但是光纤内的杂质仍然会让吸收系数变大。其他造成讯号衰减的原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动，或是接合的技术仍有待加强。

光纤通讯讯号再生

现代的光纤通讯系统因为引进了很多新技术降低讯号衰减的程度，因此讯号再生只需要用于距离数百公里远的通讯系统中。这使得光纤通讯系统的建置费用与维运成本大幅降低，特别对于越洋的海底光纤而言，中继器的稳定度往往是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非线性现象。此外，光固子也是另外一项可以大幅降低长距离通讯系统中色散的关键技术。

光纤通讯最后一哩

虽然光纤网络享有高容量的优势，但是在达成普及化的目标，也就是“光纤到户”（Fiber To The Home, FTTH）以及“最后一哩”（last mile）的网络布建上仍然有很多困难待克服。然而，随着网络带宽的需求日增，已经有越来越多国家逐渐达成这个目的。以日本为例，光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数位用户回路系统。

光纤通讯与传统的比较

对于某个通讯系统而言，使用传统的铜缆作为传输介质较好，或是使用光纤较佳，有几项考量的重点。光纤通常用于高带宽以及长距离的应用，因为其具有低损耗、高容量，以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一项重要的优点是即使跨越长距离的数条光纤并列，光纤与光纤之间也不会产生串讯（cross-talk）的干扰，这和传输电讯号的传输线（transmission line）正好相反。

光纤通讯电讯号的好处

不过对于短距离与低带宽的通讯应用而言，使用电讯号的传输有下列好处：较低的建置费用；组装容易；可以利用电力系统传递资讯。

因为这些好处，所以在很短的距离传输资讯，例如主机之间、电路板之间，甚至是集成电路芯片之间，通常还是使用电讯号传输。然而也有些还在实验阶段的系统已经改采光来传递资讯。

在某些低带宽的场合，光纤通讯仍然有其独特的优势：

能抵抗电磁干扰（EMI），包括核子造成的电磁脉冲。（不过光纤可能会毁于α或β射线）

对电讯号的阻抗极高，所以能在高电压或是地面电位不同的状况下安全工作。

重量较轻，这在飞机中特别重要。

不会产生火花，在某些易燃的环境中显得重要。

光纤通讯

没有电磁辐射、不易被窃听，对于需要高度安全的系统而言十分重要。

线径小，当绕线的路径被限制时，变得重要。

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指标的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍（trade off）。举例而言，一个常见的多模光纤（multi-mode fiber）系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km，代表这个系统在一公里内的讯号带宽可以到500MHz，而如果距离缩短至0.5公里时，带宽则可以倍增到1000MHz。