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2023-12-01多模與多核光纖 突破光通訊的傳輸速度與能力
648 期
Author 作者
李思宇／任職於臉書虛擬實境實驗室（Meta Reality Labs）。麻省理工學院博士，曾在麻省總醫院研究光纖內視鏡系統和計算成像法。
Take Home Message
• 常見的光纖為單模光纖，核心較小，僅允許光以單一模態的方式延著光纖傳遞。它不僅是普遍的光通訊媒介，也可以作為內視鏡、感測器等。
• 多模光纖的核心較大，讓光能以不同模態沿著不同路徑在光纖內部傳遞，大幅提升光通訊的傳輸速度。
• 結合日趨強大的電腦運算能力，多模光纖可以擺脫以往的框架，為許多科學和工程領域帶來技術突破或全新的應用。
讀者對光纖（optical fiber）的科學發展史有多少了解？1954年，印度科學家卡帕尼（Narinder Kapany）於倫敦帝國理工學院（Imperial College London）開拓了光纖物理；1966年科學家高錕（Charles Kao）在英國標準電信實驗室奠定了光纖傳輸的基礎，並於2009年獲得諾貝爾物理學獎。到了1970年，美國康寧公司（Corning Incorporated）成功量產光纖，並使用光纖取代當時以銅線為主的海底電纜，開啟往後全球光纖紀元。時至今日，光纖通訊仍然是高速資料傳輸的主要技術。
光纖的組成與各種用途
光纖是以原型玻璃束抽絲而成，主要結構有核心（core）和包層（cladding），利用這兩層的邊界全反射特性，引導光波沿著光纖的核心前進。一般來說，長度為數公里到數千公里的中長距離光纖傳輸以單模光纖（single mode optical fiber）為主。「單模」光纖指的是這條光纖只允許光以「單一空間模態」的方式傳遞，意思是「只有一種光的行進路線和光強（intensity）分布型態」（圖一a）。
圖一｜單模和多模光纖的實際照片和模態示意圖
光纖的橫截面（x-y平面）及縱切面（y-z平面，光沿著z軸傳遞）。（a）單模光纖的核心直徑約為9微米（μm），包層直徑約為125μm。單一模態沿著唯一路徑在光纖內傳遞（紅色箭頭），光強近似於高斯函數（Gaussian function）分布；（b）不同的多模光纖有各種大小的核心，此照片為50μm直徑核心的步階多模光纖（step-index fiber），包層直徑也是125μm。多模光纖可以有數千個以上的不同模態，各自有獨特的路徑和光強分布，圖中簡單示意三種模態（藍、綠、紅箭頭），模態的光強為拉格高斯函數（Laguerre-Gaussian function）分布。
（資料來源：作者提供）
一根數公里長的單模光纖，最快的單波長傳輸速率約為每秒千億位元（100 Gb/s＝1011bit/s）。除了應用於通訊之外，因為光纖的製造成本低、能耗率低、可塑性高、延長性高，所以在其他科學和工程領域也扮演重要角色。
在臨床醫學和生物學上，內視鏡能在最低侵入性的情況下，提供活體內器官或組織的即時造影觀察，讓醫護人員能及早捕捉到病灶以改善預後，或觀察特定的生理現象。目前最細小的內視鏡是由單根單模光纖結合微型照相機或掃描器所組成，直徑為毫米（mm）等級，可以穿引過呼吸系統支氣管的分支來觀察管壁或肺泡，也能穿引過心血管系統冠狀動脈以觀察心血管內膜。
在工程學上，由於光在光纖內的傳輸會受到周圍環境的物理參數影響，因此光纖便可以透過這項原理感知環境壓力或溫度變化，像是埋在建築裡、路面下或橋墩內的重量監控感測器，或是沿岸和跨洲的海底電纜光纖。除了用作光通訊傳輸媒介外，也可作為地震、潮汐，甚至洋流的長期監測裝置（請見延伸閱讀1），一舉數得。
在光學方面，摻入特定元素的光纖可以作為雷射腔體的增益媒介（gain medium）。由於光纖的長度較不受限制，因此光在光纖內傳遞時的能量可以有效累積，製造出高功率的雷射光源。另外，也可以透過光纖內的非線性光學原理（nonlinear optics）產生超寬頻的光纖光源；或利用一般光纖自帶的拉曼散射（Raman scattering），作為微小光信號的放大器。
光透過光纖芯傳播。（AZToshkov, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons）
多模和多核光纖的簡介和特性
隨著近年來多媒體影音的品質大幅提升，一支影片的容量動輒好幾十億位元組（gigabyte, GB， 1GB＝109bytes），人們在上傳或下載網路上的檔案時，對網速的要求也愈來愈高。近年來網際網路的流量更呈現指數般成長，單模光纖的資料傳輸率漸漸不夠使用。即便光通訊領域中有不少多工傳輸技術，例如波長分波多工（wavelength division multiplexing）、分時多工（time division multiplexing）、偏振多工（polarization division multiplexing）等提升傳輸速度的方法，但受限於向農極限（Shannon limit），單模光纖的傳輸速度提升效率漸趨飽和。若要使光通訊的傳輸速度持續高效提升，需要有其他本質上不同的媒介。……【更多內容請閱讀科學月刊第648期】