【產業研究】

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單模光纖產品發展歷程



由於網際網路的快速發展，使得原本以語音業務為主的電信網路，逐漸不堪負荷更大頻寬需求為主的數據業務。而形成全球光纖通訊產業熱潮的主要因素，便在於光纖通訊較傳統的通訊架構提供更高傳輸速率、高資訊承載量、低干擾性與光纖網路建構的便利性…等優點。歷經多年發展的光纖通訊產業，高強度光源與低損耗傳輸介質的開發與技術，成為產業發展初期的兩大主要瓶頸。不過隨著廠商不斷地在光通訊系統技術的研發，包括光源、傳輸介質、收發元件與各種設備..等各方面均有突破性的進展下，未來具備超高速、高容量與高穩定性的通訊世界，儼然已不再是遙不可及夢想。然而相對上，目前光纖通訊相關產品仍舊存有技術上與經濟上的使用限制，也因此Bit per Cost便成為廠商是否採用光纖產品決策，與光纖通訊產業是否能夠全面性改變原有通信產業架構的重要因素。

在完整的光纖通訊架構中，光纖扮演著整體架構中傳輸介質的重要角色。而就光纖產品本身發展歷程可發現其應用上的限制與廠商研發技術的動向，自從Corning在1970年開發出20(dB/Km)的低衰耗光纖以來，光纖的發展可謂一日千里。因此我們從理論上光纖產品特性、性能需求及其應用限制，配合廠商所推出之產品進行檢視，將可看出光纖產品發展過程之全貌。此外，光纖產品相關規格的制定過程亦可作為未來產品發展趨勢的指標。因此本文將就產品發展歷程、相關產品規範與廠商實際商品化的過程，來分析光纖產品的發展現狀與未來發展動向。

• 單模光纖產品演進

在長距傳輸系統中，由於資訊高承載、高速、低損耗…等產品特性嚴格要求下，單模光纖為最合適之選擇方案。從相關的研究發現顯示，關於單模光纖傳輸損耗的成因包括有：光纖材料吸收損耗(absorption)、色散現象(dispersion)、散射(scattering)、彎曲幾何效應…等因素，其中又以色散現象為主要引起光纖在傳輸過程產生損耗的主要因素。因此在早期的單模光纖發展歷程中，廠商最早所推出之第一代標準單模光纖為零色散位移光纖(Non-Dispersion Shift Fiber，NDSF)，亦稱為G.652光纖。NDSF的零色散點在1310nm，在2.5Gb/s操作速度時700-800公里以上才需要用色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber；DCF)來減低其色散引起的干擾，但在10Gb/s的光纖通信系統，幾乎50-80公里以上就要用到DCF來減低傳輸光纖中引起的色散現象。因此從80年代，廠商為追求降低色散效應所帶來的傳輸損耗、額外的DCF建置成本及使用較長的操作波長，開始推出用於長距離傳輸用的色散位移單模光纖(Dispersion Shift Fiber，DSF)，主要產品訴求點在於將操作波長由1310nm移至1550nm，使其色散值降至最低點，而展現其長途傳輸且具備低損耗、低色散，甚至於完全零色散的特性。

90年代初期，隨著光通訊系統DWDM、EDFA及OTDM相關技術的快速發展，原本具備之零色散值的DSF，反將引起高容量、高速傳輸系統的非線性效應，例如不同波長訊號間將會產生四波混頻效應(Four Mixing Wave，FMW)或Cross-Phase modulation 的干擾效應，因而產生高速傳輸系統適用性的瓶頸，DSF似乎已不再是高速傳輸系統下的最佳選擇。因此光纖製造廠商轉而逐步開發具備相對極大/極小值的小範圍區間色散的單模光纖，以符合更高傳輸速度的系統需求。所謂相對極大值，是以滿足最小色散補償值為上限，因為過高的色散現象將導致系統需額外建構較為昂貴與技術複雜的色散補償機制與設備；而相對極小值則是不為零色散值但卻足以抑制非線性效應的發生。 因此，非零色散位移光纖(Non-Zero Dispersion Shift，NZDF)，亦稱為G.655光纖，則成為符合長途傳輸與波長多分技術的新產品。上圖為上述三種主要單模光纖對應操作波長範圍與色散效應的示意圖。

• 單模光纖未來技術動向

整體而言，隨著光纖通訊系統朝向更高傳輸容量、速度、低損耗的趨勢下，加上傳統光纖放大器(EDFA)與DWDM技術的快速發展應用，符合新一代傳輸系統需求的光纖將重新定義。因此我們可發現在產商所推出產品線內容的轉移中可看出，單模光纖的產品規格已從過去的標準單模光纖、色散位移光纖發展至零色散位移光纖乃至於目前的非零色散光纖。

為了因應新一代更新產品性能需求，單模光纖已由過去解決色散損耗問題朝向現階段的非線性問題為主。造成光纖傳輸非線性問題的主要原因來自於高速傳輸時，高輸入功率密度所造成的一種非線性物理光學效應，進而產生干擾訊號影響系統運作的現象。解決單模光纖非線性效應的方法包括：增加光纖有效的傳光面積(Aeff)以降低輸入光功率密度；控制小範圍的色散以抑制四波混頻效應；降低光纖色散斜率，以擴大DWDM可操作波長範圍。如此將可符合傳輸通道速率大幅提升的需求。

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