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  國內今(67)年12月即將於台北市南 I、南 II局間佈放光纖進行試驗,這是一件值得慶欣的事情,到底我們的電信也邁進了一大步!

通信之起源

  您可曾設想過以光線為媒介,替代傳統式的電線電纜,以達成通信嗎?是的,現在此種技術已廣為科學家們研究發展的對象了。

  想當年,電話發明人貝爾(Alexander Graham Bell)以二根銅線,連接相距三公里之兩地,雙方各以送收話機即能彼此通話;您當然也得相信如期間傳音媒介易以光波也一樣可以通信。

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遠在1968年一位傑出的中國工程師,他姓高,任職於英國標準電信研究所,是他老兄首先提出以玻璃纖維取代電纜,用於電信傳輸之可行性報告後,玻璃纖維(簡稱光纖)即成為各國電信工程師,科學家們競相研究的對象了。

  光,一般人對它恐怕還比無線電認識得具體些,至少它是可見的。實際上光也是一種電磁波,只是頻率更高,它遠較超短波、微波約高1.5倍,所以它的容量就比一般的調幅、調頻週率高。

  目前是知識爆發時代,有大量的信息必須藉助電信來溝通,工程師們預測愈來愈大量的通信需求不是目前的系統所能負荷,自然就想到何不利用容量幾達無窮的光波,來擔當這個任務呢?

光纖構造及類型

  光波通信最簡單的例子,莫過於燈塔與船隻間的通信系統,燈塔發出光是發射機,船隻接收光是接收機,傳輸媒體就是大氣。這種系統發展成大氣雷射通信系統,它的優點固可傳送大量的信息,方便而經濟,但卻易受到氣流、溼氣、霧、雪、閃電及其他種種干擾,嚴重影響系統的可靠性。所以不適合於做電信傳輸之用。既然光怕干擾那就開設一條專線讓它走吧!這就是波導的觀念,而最經濟有效的方法,就是利用玻璃纖維來傳送光線。如圖一此玻璃纖維是由極純的二氧化矽所製成,它的原料來源充沛,價錢又便宜,可說是取之不盡,用之不竭,它的前途真是無可限量。

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  光纖是由同心但具不同折射率的二氧化矽所組成,內層稱為核心又稱纖維心,外層叫做外殼,為金屬包被故又稱金屬包被層,若將光纖在加外層保護則變為光纜,此最外層通常TEFLON類塑膠,用來保護磨損,使受重壓時不致斷裂。一般纖維心之折射率較高,外層之折射率則較低。由光學原理(或電磁理論)可知此種波導,將使光在纖維心內以全反射方式進行,而達到光傳輸的目的。

  發展中的光纖類型有單根型光纖及多根型光纜兩大類,但多根型光纜現多已不用(因為光的分散現象很大)。而單根型光纖又可分為單式及複式,複式又可分為級射率型及斜射率型如圖二一般進入纖維心光軸的光線行程較有角度進入的光線行程短而快,其因為光在纖維內行進有邊對邊之反彈現象,結果這種混合光線形成一種光脈(Light Pulses)而往前散播。此種分散現象,會限制光脈的速率,也有關於光學通信系統的容量問題。一般均以分級及整型方式,使纖維心的折射率來補償光線行進的距離不同。

圖二甲:玻璃纖維心小,其與金屬包被層間之折射率差異小,使光能作一種形式沿纖維心傳送。像這種單式纖維所能傳送的光脈頻寬達2GHz/KM之高。

圖二乙:為斜射率型(Graded-Index)光纜,其光脈分散雖較單式型大,但比級射率型(Step-Index)小,其頻寬為500 MHz/KM。

圖二丙:為級射率型,其限制頻寬約為35MHz/KM。

這三者比較起來,以斜射率型光纜其纖維心寬度居中,但頻寬極適合一般通信,故目前已列入優先考慮作通信推廣用。

光纖特性及優點

  再此值得一提的是光纖用來通信不是因它能導電,而是它能導光,事實上,光纖是不導電的,它導光的部份是由實心玻璃所構成,光雖然不能說在整條空洞中全無損失,但它的導光性能卻非常高,像一公里長的光纜,它的傳輸損失僅在三分貝以下。目前美國CORNING公司已能產製一公里長的光纜,它的傳輸損失僅約0.5dB/KM。光纖細小有如人髮,重量很輕,一根光纖可同時傳送數千路電話,比任何現有的通信系統容量都要來得大,若採用一種容量最大的光纜應用於台北、高雄間的長途電話,則台北、高雄間僅需架設二條光纜。(按一條單模式光纜可傳送4032路電話,南下北上各一條,所以來回需要兩條。)光纜除了體積小,重量輕,容量大外,尚不受雷電等外界干擾,且其保密性最高,最適於太空科學、飛行體上及軍事上。光纜不但能解決日趨嚴重的都市缺線問題,其他如影像電話,有線電視也可藉它大容量、寬頻域之特性而迎刃可解。

光纖通信系統概要

  光纖通信系統包括:

(1)電變光的發射機

(2)傳送光的玻璃纖維

(3)光變電的接收機

等三部份。

電變光的步驟稱為調變,可用激光二極體或雷射二極體。當電的信號大時,二極體便發出較強的光,也就是說二極體發出的光度與輸入的電流成正比,這樣就能將電的信號轉變成光的信號。接收時則反過來將光的信號還原為電的信號,這種過程叫做解調,一般用光學檢波器為矽奔瀉光二極體(Silicon Avalanche Photodiode)其簡略的光轉變原理如圖三。多種調變和變碼技術能用於光學纖維系統裡。不過以二進位數字正反情況調變最為普遍的應用。如聲音影像的類比資訊情報,首先必須數位化變碼才能傳送。也就是形成一種光脈流(Stream Of Light Pulses),經纖維而至接收機,由光二極體重行恢復原來的電流信號。

未來之展望

  一般科學家認為,光波通信系統將可能應用到全部通信網路,不過,未來第一個目標著重在本地和長途的通信。由於導光纖維不受電氣干擾影響,在電氣雜亂環境中具有承載大量資訊的利益。另一目標,是發展一種影像通信業務,供給用戶的商務場所和私人住處的服務。此外,科學家們積極進行一項積體光學電路IOC-Integrated Optical Circuits)的發展,這種電路類似半導體的積體電路。一俟將來發展完成時,它能夠直接產生調變、交換、濾理、延遲、耦合以及檢取光的信號。那麼屆時這一技術在通信系統中和目前的電子積體電路一樣普遍了。

各國實用現況

  應用實例上,日本電力公司利用光纖來監視輸配電的供需情形,因為在超高壓電線附近有很強的電力干擾,只有光纖能夠發揮功用。在美國有幾家電視公司應用光纖來傳輸電視信號,取其輕巧不受干擾之利。在加州美國通用電子電話公司(GTE)已開始利用光纖來傳送電話。美國貝爾電話公司也已在芝城建立光纖通信系統,以傳送電話、數據以及影像電話信號。其他如加拿大、英國、澳洲、西德、比利時等國家的電信局也佈放了光纖並開始試用。我國將於今年底前,在台北市南 I、南 II局間佈放光纖進行試驗,可說是一件值得慶欣的事情,到底我們的電信也邁開了一大步。

 轉載電子情報/1978年 通信新獻˙光束傳音˙悠莫風/

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