一、光纖是什麼？光如何傳遞訊號？

光纖 (Optical Fiber) 是一種由玻璃或塑膠製成的纖維，能以光脈衝的形式傳遞資料。其基本原理是將電訊號轉換為光訊號，透過光纖傳輸後，在接收端再由光敏元件還原為電訊號，此過程實現了高速、長距離且低損耗的資料傳送。

光訊號之所以能在細如髮絲的光纖中持續傳遞而不散失，是利用了物理學上的「全反射 (Total Internal Reflection)」原理。光纖主要由兩部分組成：

• 核心 (Core)：位於中心的玻璃纖維，折射率較高，是光訊號實際傳輸的路徑。
• 包層 (Cladding)：包圍在核心外層的玻璃，折射率較低。

當光線從高折射率的核心射向低折射率的包層時，只要入射角度大於一個特定的「臨界角」，光線就會被完全反射回核心內部，而不是穿透出去。透過連續不斷的全反射，光訊號便能沿著光纖的路徑前進，即使光纖彎曲也能順利傳輸。

二、光纖纜線的類型：單模 vs 多模

根據核心直徑與傳輸模式的不同，光纖主要分為兩大類：「單模光纖」和「多模光纖」，它們在應用場景、傳輸距離和成本上有顯著差異。

單模光纖 (Single-mode Fiber, SMF)

單模光纖的核心直徑非常細 (約 8-10µm)，僅容許一種模式的光線傳輸。光線沿直線前進，幾乎沒有色散，因此訊號衰減極低，適合長距離、大頻寬的傳輸，例如電信骨幹網路、海底電纜等。其外觀護套通常是黃色。

多模光纖 (Multi-mode Fiber, MMF)

多模光纖的核心直徑較粗 (約 50或62.5µm)，可以同時容納多種模式的光線以不同路徑傳輸。這會導致「模式色散」，限制了其傳輸距離和頻寬。因此，多模光纖主要用於短距離的應用，如資料中心內部伺服器互連、企業內部網路等。其外觀護套顏色依等級而異，常見有橘色(OM1/OM2)、水藍色(OM3)、紫色/粉紅色(OM4)。

單模與多模光纖比較表

三、光纖的端點：常見接頭類型

光纖需要透過特定的接頭才能連接到設備上。不同的接頭有不同的尺寸和鎖定機制。以下是幾種常見的光纖接頭：

• LC (Lucent Connector)：體積小，採用彈扣式鎖定，是目前資料中心和高密度佈線中最主流的接頭。
• SC (Standard Connector)：體積較LC大，採用推拉式鎖定，操作簡單，常用於電信網路和一般網路設備。
• MPO/MTP (Multi-fiber Push-On)：高密度接頭，單一接頭內可容納多芯光纖（如8芯、12芯、24芯），專為支援多通道並行傳輸而設計，是40G/100G及以上高速網路的首選。
• FC (Ferrule Connector)：採用金屬螺紋旋緊，連接牢固，抗震性好，早期常用於測試儀器和特定工業環境。
• ST (Straight Tip)：採用卡榫式圓形接頭，類似BNC接頭，曾廣泛應用於多模光纖網路。

四、光電轉換的核心：光纖模組 (Optical Transceiver) 簡介

光纖本身只是傳輸媒介，真正負責將電子訊號與光訊號互相轉換的裝置，稱為網路光纖模組 (Optical Transceiver)。它是一個可熱插拔的裝置，插在交換器、路由器或伺服器網卡的專用插槽中，是光纖網路系統中不可或缺的「翻譯官」。

基本功能

• 發射端 (TOSA)：將設備的「電」訊號轉換為「光」訊號，並透過光纖發送出去。
• 接收端 (ROSA)：接收來自光纖的「光」訊號，並將其轉換回設備能識別的「電」訊號。

五、光纖模組的內部結構與關鍵零件

一個小小的光纖模組，內部其實是高度集成的光電元件。其核心可分為四大塊：

1. TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly) - 光發射次模組
   • 光源：決定了傳輸距離和成本。短距離用 VCSEL，長距離用 DFB/EML 雷射。
   • 用途：產生穩定波長的光訊號，並控制其功率。
2. ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly) - 光接收次模組
   • 光偵測器：將光訊號轉換回電訊號。常見為 PIN，長距高靈敏度應用為 APD。
   • 用途：確保接收靈敏度與訊號的準確回復。
3. 驅動與處理電路
   • LDD (Laser Driver)：驅動雷射器工作。
   • CDR (Clock and Data Recovery)：時脈資料重整，消除訊號在傳輸中產生的抖動 (Jitter)，提升訊號品質。
   • MCU/DDM (Microcontroller Unit)：微控制器，負責模組管理和數位診斷監控 (DDM)，讓管理者可以即時監控模組的溫度、電壓、發射/接收功率等狀態。
4. PCB 與封裝
   • PCB 材質：使用高速FR4或低損耗材料，以支持數十GHz的高頻訊號。
   • 外殼功能：金屬外殼提供結構固定、散熱及EMI電磁屏蔽功能。

六、主流光纖模組比較：SFP vs QSFP

光纖模組有不同的「封裝規格 (Form Factor)」，決定了其尺寸、速度和通道數。目前市場上最常見的兩大系列是 SFP 和 QSFP。

SFP 系列 (Small Form-factor Pluggable)

SFP 系列是為單通道傳輸設計的，體積小巧。根據支援速率不同，又演化出：

• SFP: 支援速率約 1Gbps。
• SFP+: 支援速率達 10Gbps，是目前最普及的規格之一。
• SFP28: 支援速率達 25Gbps，是 100G 網路的重要組成部分 (4x25G)。

QSFP 系列 (Quad Small Form-factor Pluggable)

QSFP 的 "Q" 代表 "Quad" (四倍)，意味著它內部整合了四個獨立的收發通道，能在同樣的體積下提供四倍的頻寬，主要用於高速、高密度的場景。

• QSFP+: 4x10Gbps，總頻寬 40Gbps。
• QSFP28: 4x25Gbps，總頻寬 100Gbps，是當前資料中心的主流。
• QSFP-DD: "DD" 代表 "Double Density" (雙倍密度)，接腳從單排變為雙排，通道數翻倍至8個。可支援 8x50G (400G) 或 8x100G (800G) 的超高頻寬。

SFP 與 QSFP 關鍵差異比較

七、結論與下一步

了解了光纖與光模組的基礎知識後，我們可以總結出選擇方案的幾個關鍵考量點：

1. 傳輸距離：這是決定使用單模還是多模光纖的首要因素。超過500公尺的距離，優先考慮單模光纖。
2. 頻寬需求：您需要多大的傳輸速率？1G/10G 的接入層可選 SFP/SFP+；40G/100G/400G 的核心匯聚層則需要 QSFP 系列模組。
3. 成本預算：多模方案在短距離內通常總體成本較低（設備便宜），而長距離則單模方案更具經濟性。
4. 環境與未來擴充：佈線環境是否需要高密度？未來是否有升級到更高頻寬的計畫？選擇如 MPO 這樣的高密度方案，可以為未來的擴充留下空間。

從監控攝影機的影像回傳，到大型資料中心的數據交換，光纖技術已經滲透到我們數位生活的各個角落。希望透過【監控博士】的這篇介紹，能讓您對這項驅動現代網路的關鍵技術有更清晰、更全面的認識。

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