光纖通訊

在光纖通訊系統中通常作為光源的半導體元件是發光二極體（light-emitting diode, LED）或是雷射二極體（laser diode）。LED與雷射二極體的主要差異在於前者所發出的光為非同調性（noncoherent），而後者則為同調性（coherent）的光。使用半導體作為光源的好處是體積小、發光效率高、可靠度佳，以及可以將波長最佳化，更重要的是半導體光源可以在高頻操作下直接調變，非常適合光纖通訊系統的需求。

LED藉著電激發光（electroluminescence）的原理發出非同調性的光，頻譜通常分散在300奈米至600奈米間。LED另外一項缺點是發光效率差，通常只有輸入功率的40~50%可以轉換成光功率，消耗功率約 50~60 mW（milliwatt）左右。但是由於LED的成本較低廉，因此常用於低價的應用中。常用於光通訊的LED主要材料是砷化鎵或是砷化鎵磷（GaAsP），後者的發光波長為1300奈米左右，比砷化鎵的810奈米至870奈米更適合用在光纖通訊。由於LED的頻譜範圍較廣，導致色散較為嚴重，也限制了其傳輸速率與傳輸距離的乘積。LED通常用在傳輸速率10Mb/s至100Mb/s的區域網路（local area network, LAN），傳輸距離也在數公里之內。目前也有LED內包含了數個量子井（quantum well）的結構，使得LED可以發出不同波長的光，涵蓋較寬的頻譜，這種LED被廣泛應用在區域性的波長分波多工網路中。

半導體雷射的輸出功率通常在100毫瓦特（milliwatt）左右，而且為同調性質的光源，方向性相對而言較強，通常和單模光纖的耦合效率可達50%。雷射的輸出頻譜較窄，也有助於增加傳輸速率以及降低模態色散（modal dispersion）。半導體雷射亦可在相當高的操作頻率下進行調變，原因是其復合時間（recombination time）非常短。

半導體雷射通常可由輸入的電流有無直接調變其開關狀態與輸出訊號，不過對於某些傳輸速率非常高或是傳輸距離很長的應用，雷射光源可能會以連續波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的電吸收光調變器（electroabsorption modulator）或是馬赫·任德干涉儀（Mach-Zehnder interferometer）對光訊號加以調變。外接的調變元件可以大幅減少雷射的「啁啾脈衝」（chirp pulse）。啁啾脈衝會使得雷射的譜線寬度變寬，使得光纖內的色散變得嚴重。

光纖纜線包含一個纤芯（core），纖殼（cladding）以及外層的保護被覆（protective coating）。核心與折射率（refractive index）較高的纖殼通常用高品質的矽石玻璃（silica glass）製成，但是現在也有使用塑膠作為材質的光纖。又因為光纖的外層有經過紫外線固化後的丙烯酸聚合物（acrylate polymer）被覆，可以如銅纜一樣埋藏於地下，不需要太多維護費用。然而，如果光纖被彎折的太過劇烈，仍然有折斷的危險。而且因為光纖兩端連接需要十分精密的校準，所以折斷的光纖也難以重新接合。

光通信中主要使用多模、单模两种光纤。多模光纤纤芯直径更大（≥50微米），对发射机、连接器的要求更低。然而，多模光纤引入了多模色散，这会限制系统的带宽和长度。此外，由于有更高的杂质含量，多模光纤通常会有更高的衰减。单模光纤的纤芯直径较小（<10微米），对发射机、连接器的要求更高，但能够搭建传输距离更长、性能更好的系统。单模和多模光纤都有不同的等级。

過去光纖通訊的距離限制主要根源於訊號在光纖內的衰減以及訊號變形，而解決的方式是利用光電轉換的中繼器。這種中繼器先將光訊號轉回電訊號放大後再轉換成較強的光訊號傳往下一個中繼器，然而這樣的系統架構無疑較為複雜，不適用於新一代的。

構成光接收器的主要元件是光偵測器（photodetector），利用光電效應將入射的光訊號轉為電訊號。光偵測器通常是半導體為基礎的光電二極體（photodiode），例如pn結、p-i-n二極體，或是雪崩型二極體（avalanche diode）。另外「金屬-半導體-金屬」（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光偵測器也因為與電路整合性佳，而被應用在光再生器（regenerator）或是波長分波多工器中。

光接收器電路通常使用轉阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）處理由光偵測器轉換出的光電流，轉阻放大器和限幅放大器可以將光電流轉換成振幅較小的電壓訊號，再透過後端的比較器（comparator）電路轉換成數位訊號。對於高速光纖通訊系統而言，訊號常常相對地衰減較為嚴重，為了避免接收器電路輸出的數位訊號變形超出規格，通常在接收器電路的後級也會加上時脈及資料回復電路（clock and data recovery, CDR）以及鎖相迴路（phase-locked loop, PLL）將訊號做適度處理再輸出。

波長分波多工的實際做法就是將光纖的工作波長分割成多個通道（channel），俾使能在同一條光纖內傳輸更大量的資料。一個完整的波長分波多工系統分為發射端的波長分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波長分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用於波長分波多工系統的元件是陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Gratings, AWG）。而目前市面上已經有商用的波長分波多工器/解多工器，最多可將光纖通訊系統劃分成80個通道，也使得資料傳輸的速率一下子就突破Tb/s的等級。

由於傳輸距離越遠，光纖內的色散現象就越嚴重，影響訊號品質。因此常用於評估光纖通訊系統的一項指標就是頻寬-距離乘積（BL积），單位是百萬赫茲×公里（MHz×km）。使用這兩個值的乘積做為指標的原因是通常這兩個值不會同時變好，而必須有所取捨（trade off）。舉例而言，一個常見的多模光纖系統的頻寬-距離乘積約是500MHz×km，代表這個系統在一公里內的訊號頻寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5公里時，頻寬則可以倍增到1000MHz。

每根光纤可以承载许多独立的通道，每个通道使用不同波长的光（波分复用）。每条光纤的净数据速率（没有开销字节的数据速率）是每通道数据速率减少了FEC开销，乘以信道数量（截至2008年，商用密集WDM系统通常高达80个）。

以下总结了目前使用标准电信级单模单芯光纤电缆的最新研究成果。

以下总结了目前使用少模光纤等特种光纤进行空分复用完成的研究成果。

對於現代的玻璃光纖而言，最嚴重的問題並非訊號的衰減，而是色散問題，也就是訊號在光纖內傳輸一段距離後逐漸擴散重疊，使得接收端難以判別訊號的高或低。造成光纖內色散的成因很多。以模態色散為例，訊號的橫模（transverse mode）軸速度（axial speed）不一致導致色散，這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中，模態間的色散可以被壓抑得很低。

但是在單模光纖中一樣有色散問題，通常稱為群速色散（group-velocity dispersion），起因是對不同波長的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所發射的光波不可能沒有頻譜的分布，這也造成了光波在光纖內部會因為波長的些微差異而有不同的折射行為。另外一種在單模光纖中常見的色散稱為偏振态色散（polarization mode dispersion），起因是單模光纖內雖然一次只能容納一個橫模的光波，但是這個橫模的光波卻可以有兩個方向的偏振（polarization），而光纖內的任何結構缺陷與變形都可能讓這兩個偏振方向的光波產生不一樣的傳遞速度，這又稱為光纖的雙折射現象（fiber birefringence）。這個現象可以透過偏振保持光纖（polarization-maintaining optical fiber）加以抑制。

訊號在光纖內衰減也造成光放大器成為光纖通訊系統所必需的元件。光波在光纖內衰減的主因有物質吸收、瑞利散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收係數只有0.03dB/km，但是光纖內的雜質仍然會讓吸收係數變大。其他造成訊號衰減的原因還包括應力對光纖造成的變形、光纖密度的微小擾動，或是接合的技術仍有待加強。

現代的光纖通訊系統因為引進了很多新技術降低訊號衰減的程度，因此訊號再生只需要用於距離數百公里遠的通訊系統中。這使得光纖通訊系統的建置費用與維運成本大幅降低，特別對於越洋的海底光纖而言，中繼器的穩定度往往是維護成本居高不下的主因。這些突破對於控制系統的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非線性現象。此外，光孤子也是另外一項可以大幅降低長距離通訊系統中色散的關鍵技術。

雖然光纖網路享有高容量的優勢，但是在達成普及化的目標，也就是「光纖到户」（Fiber To The Home, FTTH）以及「最後一里」（last mile）的網路佈建上仍然有很多困難待克服。然而，隨著網路頻寬的需求日增，已經有越來越多國家逐漸達成這個目的。以韓國為例，光纖網路系統已經開始取代使用銅線的數位用戶迴路系統。