光纖傳輸距離的物理極限

 

我們知道電子信號受限於電纜的衰減及失真, 傳輸距離受到一定的侷限, 因此有了光纖. 仰賴於光纖傳導技術, 可以將信號傳達至電子信號難以企及的距離. 然而即便是光纖, 也必有其對應的物理極限, 決定了光纖傳輸距離的最遠上極限, 一個可靠並有效的通訊距離.

 

失真 Distortion

兩端的網路設備相互溝通需要雙向的信號傳輸, 為了單純起見, 本文考慮單向的傳輸簡化說明. 一組信號傳輸系統需要有三個角色,

1. 信號發射端
2. 傳輸介質
3. 信號接收端

通信用的銅纜, 光纜扮演的正是傳輸介質 Media. 理想的狀態下, 接收端所接收的信號完全等同發射端發出的信號; 實際上介質會對信號產生影響, 我們稱之為信號失真 Distortion. 不論電纜, 光纜都具備這樣的失真效果. 在光纖內的 Distortion, 可區分為衰減 Attenuation 以及色散 Dispersion. 這兩個效果正是影響傳輸距離的關鍵因子.

 

衰減 Attenuation

衰減代表信號變弱變小, 一旦信號弱到接收端無法辨識有光無光, 通信就失效了. 這也說明了, 傳輸距離的極限, 同時也受到 信號發射端及信號接收端的性能所影響. 舉例來說, 發射光強度為 0 dBm, 接收端可判讀的靈敏度為 -20 dBm. 某種光纖本身的衰減是 1 dB. 發射光強度經過 1 公里後剩下 -1 dBm; 經過第二個 1 公里後剩下 -2dBm; 依此類推, 經過第 20 個 1 公里後剩下 -20 dBm 單位. 恰好接收端尚可判讀, 因此這組光通信系統的可傳輸距離就是 20 公里.

主流的光纖材料是二氧化矽 SiO₂ , 也就是玻璃. 當我們使用玻璃來傳輸光信號的時候, 自然而然希望這個玻璃是透明的. 透明代表光的強度沒有變弱. 那麼玻璃是透明的嗎? 應該是吧, 我們的玻璃窗戶不都是透明的嗎? 當這玻璃有一公里厚, 還是透明的嗎? 來看看我們生活中常見的玻璃.

看看玻璃側邊, 泛出淡綠色, 這是鐵離子雜質造成的. 雜質吸收了通過玻璃的光線, 然後以綠光散射出來. 只要玻璃中含有雜質, 就會對光線產生吸收頻譜. 要改善這不理想的效應需要做的有兩件事, 一是降低雜質, 直到最小化. 另一是, 在可使用的波長中, 挑選出該材料吸收最低的波段. 目前被挑選出的主流波長有三,

波長	衰減量
850 nm	3 dB/km
1310 nm	0.35 dB/km
1550 nm	0.2 dB/km

 

色散 Attenuation

在介質之中, 不同波長的光, 因材料特性有不同的折射率. 不同折射率亦即不同的光速, 同時代表折射時, 不同的折射角度. 在自然界, 這是一個普遍的現象, 例如陽光在水滴內經過兩次折射一次反射, 將不同波長的光折至不同的角度, 肉眼就看到了彩虹. 光纖內的折射率分布結構會對內部的光產生不同的色散效果. 對於傳輸信號, 若是光信號被色散, 會導致信號變形, 並與前後 bit 的信號相互干擾, 稱為 ISI 碼際干擾 Inter-Symbol Interference. 嚴重到一定程度, 即使光強度仍高於接收端的靈敏度, 但已經無法判定該 bit 是 0 還是 1, 系統通信將失效.

對於單模光纖, 主要是材料特性導致 Chromatic Dispersion 以及光纖結構導致的 Waveguide Dispersion. 這兩種色散會在 1310nm 附近形成零色散點. 意即只要我們有可靠的 1310nm 雷射, 可以忽略色散對信號失真的影響, 這也形成一個重點波長. 遠離 1310nm 的雷射則視其波長頻寬分布, 越寬的分布就會導致傳輸信號內色散效果越顯著, 妨礙通信. 因此, 即便為了克服衰減而選用了 1550nm 波長, 也應挑選窄波長頻寬分布的雷射, 才能降低色散的影響.

對於多模光纖, 光纖結構會使光在光纖內因干涉形成特定的模態, 各模態有不同的等效折射率, 稱為模態間色散 Modal Disperison. 不同折射率意味著這些不同模態的光有不同的光速, 光的能量將在傳輸過程中分散, 產生碼際干擾. 多模光纖的傳輸距離主要受限於此.

多模光纖的模態是可被優化的, 經過優化過的多模光纖, 將有不同的模態色散效果. 因為這些差異, 多模光纖被區分為 OM1, OM2, OM3 及 OM4 等不同的等級. OM3 / OM4 針對雷射光源做了優化, 而使多模光纖收發模組在 10G / 25G 的速度應用上, 推展至傳輸距離的極限.

 

傳輸速度與距離

前述說明了光纖傳輸速度主要的兩個侷限. 多模光纖主要受到 Modal Dispersion 的色散效果所限制, 即便光強度仍然充分, 信號的變形已經使接收端無法辨識, 恢復可靠信號. 此時將需要應用到單模光纖, 由於只有單一一個模態, 不存在 Modal Dispersion, 可將傳輸距離大幅拓展至材料所導致的色散或是衰減的極限. 對於標準常見的單模光纖, 1310nm 的色散小, 衰減大; 而 1550nm 的衰減大, 色散小.

傳輸距離在相同的物理條件下, 基於這兩個極限, 會受到傳輸速度的影響. 速度愈高, 傳輸距離愈短. 高速信號每個 bit 的時間間隔更短, 更容易受到色散造成的碼際干擾, 限制了傳輸距離. 類似地, 接收端信號對於高速信號需要有更明確的 0 與 1 的光強度差異, 才能有效辨識出差異, 維持可靠通信. 這也意味著接收端的靈敏度, 會因為傳輸速度上升而退步, 此時相對必須要求光纖內的衰減量降低, 相當於光纖的長度必須縮短.

整體的效果會展現出一個反比例的關係, 同樣的物理條件下, 傳輸的速率越高, 所能傳達的距離越短. 這限於光纖通信, 所有的通信系統, 都存在這樣的效果.

 

各類光纖傳輸距離

下表提供基於常見的應用速度及對應光纖的傳輸距離供作參考