前言：
人們對頻寬需求持續增加，光纖高頻寬、低損耗的優點使光纖能滿足人類對頻寬的需求，勢將成為未來主要的傳播媒介，在2001年網路泡沫破裂後，許多長途光纖閒置成為暗光纖，但都會網路及區域網路卻正逐漸走向光纖化，在光纖到大樓、光纖到家及光纖到桌的可能性越來越高下，人們對光纖通訊系統中的各組成如光纖、光源、接收器及連接器等的要求也逐漸改變，本文將探討光纖的基本原理、結構、製造方法及市場概況，使我們能對未來光纖的可能演變及趨勢有較深入的了解。
光纖原理：
光纖的基本結構如下圖所示：內層核心是傳送光的部份，周圍的纖衣則是折射率較低的物質，使光得以在核心內進行全反射的行進。
圖一：光纖結構簡圖
資料來源：寶來證券
在了解光纖基本結構後，我們先介紹一些光在光纖內傳輸的一些特性，如色散、衰減及數值孔徑等，這將有利於我們對光纖的了解及其應用上的限制。
一、色散：
光脈衝延著光纖行進時，其寬度會逐漸變寬，稱為色散。色散會限制光纖頻寬及資訊載送容量，在色散較大的環境下，位元率必須降低，即脈衝分隔較遠，以確保脈衝不會重疊；色散來源主要有2種：
- 模間色散：模間色散只發生在多模光纖，它的產生是因為光線在光纖內以不同路徑行進，因總路徑長度不同，因此各光線到達終點的時間不同，而產生脈衝分散的效果。改善模間色散方式為使用較小直徑的光纖、漸變折射率光纖或是單模光纖等。
- 材料色散：因光纖的折射率隨光的波長而變，且光線在光纖內的行進速度為c / n （c 為真空中的光速，n 為材料的折射率），因此不同波長的光在光纖內的速度是不一樣的，其色散量取決於（1）注入光纖的光波長範圍，即光源的光譜寬度；及（2）光源的中心操作波長，中心操作波長不同使光線的行進速度不同。
在單模光纖的環境下，材料色散是重要的，因其無模間色散；在多模系統下，因模間色散較大，因此材料色散變得不重要，此外在近距離或速度慢的情況下，材料色散也不重要。從上述說明，我們可以降低色散的數值或降低光源的光譜寬度以增加頻寬。
二、衰減：
衰減是光線行經光纖的能量損耗，以每公里分貝（dB / km）為單位，不同材料的光纖，其衰減量不同，且其衰減會隨光波長而變，為得到最好的光纖低損耗特性，光源發射波長應在低損耗區內，例如以下3個波長區域：（1）820~850nm；（2）1300nm；（3）1550nm。
圖二：矽玻璃光纖的衰減
資料來源：光纖通訊（Joseph C. Palais著 董萬國/陳萬清譯）
三、數值孔徑（NA）：
數值孔徑是一根光纖聚集光的能力，因全反射角度的限制，光纖只能接受部份區域內的光在光纖中傳輸，即只有光的入射角小於光纖接受角時，光線才能在光纖內行進，NA的大小與光纖的核心與纖衣的折射率有關【NA=（n12-n22）1/2 ；n1 為核心折射率，n2為纖衣折射率】。具較大NA的光纖較容易接受光，但也有較多的色散；因此具有高頻寬的光纖，其數值孔徑較低，容許較少的模態，而有較少的色散及較高的頻寬。
光纖種類：
因本文討論重點在玻璃光纖及特殊光纖因此我們將光纖分類如下：
一、多模光纖：
它的應用以資料傳輸為主，可以依照光纖核心及纖衣折射率的分布狀況分成以下兩類：
- 級射率光纖 （Step-Index, SI光纖）：它的核心及纖衣各有一固定的折射率，其應用最廣泛，但此多模光纖具較大的模間色散，使其頻寬受到較大限制，因此又發展出下一種光纖。
- 漸變折射率光纖（Graded-Index, GI光纖）：因光線在光纖內的行進速度為c / n （c 為真空中的光速，n 為材料的折射率），因此若我們將多模光纖的折射率分布設計為由核心向外漸減，則光線在靠近核心位置速度較慢，靠外側時速度較快，則可補償其行進較長路徑所造成的色散，因此它們常應用在有寬頻寬需求的地方，如電話通訊、Gigabit Ethernet 、10GE及電腦等。
多模光纖的頻寬受到材料色散及模間色散的影響，因此入射光的波長、波長範圍及光線傳輸的模數皆會影響多模光纖的頻寬，欲達多模光纖的最大頻寬，可藉著設計適當的核心折射率分布來達成，並且我們希望這個分布在光纖上是均勻穩定的，此外多模光纖的頻寬以MHz*km為單位，例如一條200MHz*km頻寬的光纖可傳送100MHz的資料達2 km而不須放大。
此外常見的多模光纖為50/ 125 μm及62.5/ 125μm ，其主要異同如下表：
表一：50 / 125 μm與62.5 / 125 μm多模光纖比較表
| |
50 / 125 μm |
62.5 / 125 μm |
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核心直徑 |
50 μm |
62.5 μm |
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NA |
0.20 |
0.275 |
|
模數 |
146 |
431 |
|
頻寬（MHz*km）（850 nm / 1300 nm） |
（500 / 500） |
（200 / 500） |
|
衰減（dB / km）（850 nm / 1300 nm） |
（3.5 / 1.5） |
（3.5 / 1.5） |
|
Gigabit Ethernet 可傳輸距離（m）
（850 nm / 1300 nm） |
（550 / 550） |
（275 / 550） |
|
10 Gigabit Ethernet 可傳輸距離
（850 nm / 1300 nm） |
（86 / 86） |
（35 / 86） |
資料來源：Corning White Paper, "50 μm Optical Fiber Q&A"
50 μm 與62.5μm的差異並不大，它們在物理特性上除光纖核心直徑不同外，其它特性如強度及彎曲半徑等差異不大，在光學性質上，除62.5μm多模光纖的NA較大及模數較多外，其它性質如衰減等的差異也不大，造成兩者應用上的差異在於50μm多模光纖在850nm波長下具有良好的傳輸頻寬，可達550 MHz*km ，此頻寬與其在1300 nm 波長下的頻寬相同，而62.5μm的多模光纖在850 nm波長下的頻寬僅為275 MHz*km， 較50μm多模光纖小許多，在目前越來越多850 nm VCSELs被用在光纖系統中的光源下，50μm多模光纖明顯可提供較高的頻寬，也較能符合未來頻寬升級的需求。
二、單模光纖：
它的應用以通信為主，單模光纖的核心直徑僅5~10μm 的光纖，因此無模間色散，標準的纖衣直徑是125μm，由於其色散最小，因此適合長距離高頻寬的傳輸，此外由於單模光纖被設計僅能傳送一個模態，因此只有波長在截止波長以上的光，才能在單模光纖中以單一模態傳送。
三、特殊光纖：
根據ElectroniCast 2001年底的預估，特殊光纖市場在未來10年將快速成長，由2000年的2.39億美元成長至2010年的43.8億美元，如下圖所示，年複合成長率約33%。
圖三：特殊光纖市場規模 單位：百萬美元
資料來源：ElectroniCast 2001
特殊光纖包括以下幾類：
- 攙鉺光纖（Erbium-Doped Fiber）：主要用在攙鉺光放大器（EDFAs）中。
- High-Index Fiber：主要用在短波長雷射及LED光源及DWDM系統中。
- Polarization Maintaining Fiber（PMF）：PMF可維持光線在光纖傳輸時的極性，通常用在連接線及整合型光元件上。
- 光敏性光纖（Photosensitive Fiber）：透過紫外光的照射，我們可在光敏性光纖上製造布拉格光柵（Fiber Bragg Grating：FBG），它可用來反射、過濾或發散某特定波長的光，可應用在光放大器、光塞取元件、雷射光源、及WDM上。
- Flouride and other Types：氟化物光纖在長波長性能優異，可望取代部份矽光纖在長波長的應用。
光纖製造方法簡介：
玻璃光纖的製造可分為兩個步驟：（一）製作光纖預型體（preform）及（二）光纖抽絲。
我們先介紹光纖預型體的製造方法，常見的方法是以氣相沉積（Vapor Phase Deposition：VPD）為主，常用的原料為SiCl4、GeCl4、POCl3、BCl3等，攙雜Ge及P的光纖會形成GeO2及P2O5，提高光纖的折射率，攙雜B的光纖會形成B2O3，會減少光纖的折射率，各光纖大廠大多依VPD的原理自行發展其製造方法，如康寧（Corning）使用MCVD法，日本光纖大廠如NTT、藤倉（Fujikura）、古河電工（Furukawa）及住友電工（Sumitomo）則使用的VAD法，茲將其說明如下。
一、MCVD法（Modified Chemical Vapor Deposition）：
美國康寧及大多數廠商係採此方法生產光纖預型體，包括我國的卓越光纖，其製造方法如下圖所示：
圖四：MCVD法簡圖
資料來源：SpecTran White Paper Series, " Bandwidth: Performance and Control in Multimode Fiber"
在這過程中，SiCl4、GeCl4、及BCl4等氣體被送入一玻璃管內，一個延著管子移動的火燄均勻加熱使氣體發生反應，在玻璃管內部產生沉績，火燄在管子來回移動，便形成一層一層的沉積，通常有30~100道的沉積，改變送入氣體的濃度便會改變每層的折射率，因此可建立漸變折射率的分布，由於其控制性佳，因此適合製作多模及特殊光纖預型體，如下圖所示，但由於其較耗費時間及能源，因此其成本也較高。
圖五：多模光纖結構簡圖及MCVD光纖之折射率分布
資料來源：SpecTran White Paper Series, " Bandwidth: Performance and Control in Multimode Fiber"
二、VAD法（Vapor Axial Deposition）：
它是一種軸向沉積的方法，也就是將上面MCVD法中橫放的玻璃管改為垂直置放，並在下面的底部加熱，使氣體發生反應，因此沉積將從底部開始堆積，很長的光纖預型體可以以此方法完成，若要製造漸變折射率分布的光纖，則可使溫度在玻璃的水平面上作均勻的改變，以改變沉積，但通常此法較適合單模光纖的製造。
在光纖預型體完成後，需進行光纖抽絲製程，其作法是在無塵室中將光纖預型體固定在抽絲塔頂端，並逐漸加溫至攝氏2000度，如下圖所示：
圖六：光纖拉絲簡圖
資料來源：寶來證券
一開始光纖預型體受熱後便逐漸融化並在底部累積液體，待其自然垂下，就形成光纖，若能均勻加熱，則光纖的組成會正好與光纖預型體的組成相同，主要的塗覆也需及時塗上，以保護光纖免受潮氣、磨損的傷害，透過自然冷卻附在光纖上，在拉絲的過程中，光纖直徑的衡量、測試及控制非常重要，為了降低成本，拉絲的速度越快越好，但這將影響光纖直徑及組成的穩定度。
我們通常會以光纖的物理性質及光學性質來衡量光纖的品質，我們將其分列如下：
1.物理性質
- 折射率分布。
- 纖核直徑及非圓率。
- 纖殼直徑及非圓率。
- 保護層外徑及同心度。
- 纖核及纖殼偏移量。
- 光纖標準應力強度。
2.光學性質
- 光衰減範圍。
- 頻寬範圍。
- 數值孔徑（NA）。
- 色散。
- 零色散波長及波長斜率。
光纖市場概況：
全球可生產光纖預型體的公司並不多，在注重品質及穩定度的狀況下，光纖市場由幾家大型廠商主導，如康寧、Alcatel、NTT、藤倉、古河電工及住友電工等，2000年的市佔率如下：
圖七：光纖市場概況
資料來源：寶來證券整理
在2000年底網路泡沫破碎後，電信公司發現它們已建構太多長途光纖網路，因此產生暗光纖的問題，在電信公司逐步減少對光纖的投資及消化庫存下，這些光纖大廠的營收也自2000年底開始下滑，並陸續傳出合併及關廠的消息，其中以2001年7月美國光纖大廠Lucent以27.5億美元出售其光纖部門予日本古河電工及康寧，對光纖市場影響最大，從康寧光纖部門的營收狀況來看，目前仍是下滑的，但康寧在日前宣布重新開起兩座工廠以補充目前已太低的庫存水準來看，光纖產業的景氣似將走出谷底。
就需求面來看，由於光纖是通訊建設的必需品，因此在通訊建設越落後、幅員越廣大的國家對光纖的潛在需求就越大，在歐美先進國家已布建夠多的長途光纖網路後，亞洲，特別是大陸成為最大的光纖需求地區，在2001年各地對光纖需求皆下降時，唯有大陸為主的亞洲市場仍持續成長，各大光纖廠也都在大陸積極布局，成立光纖合資企業，如荷商菲力浦的武漢長飛、上海Lucent（已賣給康寧）、南京華新藤倉、日本神戶製鋼的成都中住、Alcatel的深圳特發、古河的西古光纖等，惟皆以光纖抽絲為主，尚不具備生產光纖預型體的技術，但正在積極發展中。
台灣光纖廠商概況：
台灣目前僅有一家廠商（卓越光纖）能生產光纖預型體，為亞洲地區除日本外惟一可生產的廠商，其產品包括單模光纖絲、多模光纖絲、多模預型體及特殊光纖如攙鉺光纖、光敏性光纖等，以單模光纖為營收主力，佔營收比重約59%，多模光纖佔24%，其它多模預型體及特殊姑纖比重並不大，未來發展以特殊光纖為主，其製程為MCVD，並透過崇越科技自日本信越進口單模光纖預型體進行抽絲，目前股本為6.2億，主要股東有聯合光纖、中華開發等，2000年及2001年EPS約為1.1及3.5元附近。
在看好亞太光纖市場下，錸德在2000年籌資5億成立旺錸科技，進入光纖生產產業，初期以光纖抽絲為主，未來將透過與美國Simax的合作生產光纖預型體，並將以都會網路及區域網路為主要市場。
結 論：
本文嘗試就玻璃光纖的原理、製程及市場概況作簡單介紹，為因應未來都會網路及區域網路光纖化的需求，光纖的價格必須再降低，但用量將快速成長，在這趨勢中，我們認為適用在資訊網路的多模光纖及可應用在多種光纖元件的特殊光纖將是未來成長的主力，採用MCVD製程的公司將較具優勢，惟光纖仍是光纖通訊系統中的一環，對於台灣廠商而言，能否維持品質的穩定度，獲得大廠的認證採用，甚至採結盟方式共同開發新型式的光纖，才能有效開拓市場，例如卓越光纖也參加3M的VF-45聯盟。此外，玻璃光纖產業競爭日趨激烈，並將逐漸走向標準化產品下，良好的成本控制將是公司成功的關鍵。
