Optical Fiber Cable 光學纖維網絡線

前言

雖然 Layer 1 物理層 (Physical Layer) 並不是考試範圍，但作為網絡工程師總不能對網絡線不聞不問。線材是一個十分有趣的課題，主要分為 Copper Cable (銅線) 和 Fiber Cable (光纖線)，本篇主要介紹光纖線的構造和標準。光纖線比銅線優勝的地方是不會受電磁場影響，傳輸距離較遠，而且線材較幼及柔軟而方便佈線。

光纖線的構造

由於光是直線行走的，而光纖線不可能保持平直，佈線時必然會被彎曲，因此要把光傳送到目的地需要利用反射原理，讓光在彎灣曲曲的光纖中靠著反射前進。可能大家還隱約記得，在中學物理課程中學過，只要知道兩種物質的折射率 (Refractive Index)，便可計算出全反射 (Total Internal Reflection) 的角度。所以，要用光纖傳送光，需要兩種折射率不同的物質，讓光在光纖線中發生全反射。

光纖主要由三部份組成：纖芯 (Core)、包層 (Cladding) 及外層 (Coating)。

纖芯 (Core)

纖芯是反射率較大的物質，光就在這條通道中前進。直徑只有 8 至 62.5 µm，大約等於人類頭髮的直徑。

包層 (Cladding)

包層是反射率較細的物質，作用是把光反射。直徑一般是 125 µm。

外層 (Coating / Jacket)

外層為脆弱的光纖提供保護，而不同的光纖類型會使用不同顏色的外層以作分辨。

在光纖線的外層上可以看到兩組數字，以下圖為例 50/125 的意思是纖芯直徑 50 µm，而包層直經為 125 µm。

Multi-mode (多模) vs Single Mode (單模)

Multi-mode Fiber (MMF) 的 Core 直徑較寬闊，可同時容納多條光束以不同角度前進，MMF 價格會比較便宜，然而，由於多條光束互相影響造成衰減，只能適合較短的傳輸距離 (少於 2 公里)。

圖片來源

Single Mode Fiber (SMF) 的 Core 直徑則較細，只容許一條光束前進，傳輸距離較 Multi-mode 遠得多 (10 公里)。

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傳輸距離與波長 (Wavelength)

雖然光不會受電磁場影響，但會因為在光纖線中不斷反射而衰減，這種衰減會使光纖所能夠支援的頻寬下降。一條光纖線所能提供的頻寬受以下 3 方面影響：

傳輸距離

光纖傳送距離越短，訊號的衰減越少，所能提供的頻寬就越高。

波長 (Wavelength)

基於光的特性，波長越大，訊號衰減就越少，頻寬因而增加。波長的單位是 nm，在 Multi-mode Fiber 中一般會使用波長 850 nm 至 1300 nm，而 Single Mode 則使用波長 1310 nm 至 1550 nm。然而世上沒有免費午餐，能發出較大波長訊號的設備會比較昂貴。

訊號源

訊號源即是發出光訊號的光源是 LED (Light-emitting Diode 發光二極管) 還是 VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 鐳射)。由於 VCSEL 的閃動頻率比 LED 高，在相同的時間下能夠發出更多的訊號，因而支緩較高頻寬。LED 能支緩最多 40 Gbps，而 VCSEL 能支緩至 100 Gbps。但需留意規格較高的光纖線 (OM3、OM4、OS1、OS2) 才能支緩 VCSEL，同樣道理，支緩 VCSEL 的線材和設備價格都會比較高。

光纖線種類

現在說說光纖線的種類。根據 TIA/EIA ((Telecommunications Industry Association and Electronic Industries Association)) 訂立的標準，Multi-mode 分為 OM1、OM2、OM3 及 OM4。數字越大則防止衰減技術越高，代表頻寬及傳輸距離都越大。

而 Single Mode 則有 OS1 及 OS2 兩款，兩款線材的傳輸距離是相約的，兩者的分別是 OS2 採用了 Loose-tube (松管) 技術增強防水，特別適合室外使用，價格當然較貴。

接頭 (Connector)

除了線材之外，光纖線接頭亦有多款選擇。

SC (Square Connector / Subscriber Connector)

在香港稱為「大頭」或者「方頭」，是比較舊款的接頭，在舊式的網絡設備較為常見。

LC (Little Connector / Lucent Connector)

在香港稱為「細頭」，是常見的接頭，比 SC 優勝的地方是比較小，這樣網絡設備上的界面也可以造得較小。

FC (Fiber Channel / Ferrule Connector)

又稱為「大圓頭」，好像比較少見，由於是扭鏍絲的設計，會比較穩固。

ST (Straight Tip)

又稱為「細圓頭」，在 Fiber Patch Panel 會比較常用。

MTP (Multifiber Termination Push-on)

一個接頭可以連接 24 條光纖線，適合在需要大量線材的環境下使用。

GBIC / SFP

接頭種類太多選擇造成一個頭痛的問題，網絡設備應提供那款界面呢？解決方法是把界面分拆出來變成界面咭，不內建在機器上。用家便可按自己的需要購買合適的界面咭，以下為大家介紹兩款比較常見的界面。

GBIC

GBIC (Giga Bitrate Interface Converter)，只要把 GBIC 插進網絡設備的插槽中就可把電信號轉換成光信號，通常配合 SC 接頭使用。

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SFP

而 SFP (Small Form Pluggable) 則是縮小版的 GBIC，尺吋較細，故又稱為 Mini-GBIC。 功能與 GBIC 相同，但接頭則改為 LC。

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Module 型號對應

使用 Single Mode Fiber 和 Multi-mode Fiber 分別要使用相對應的 Module (GBIC / SFP)，另外還有一款可轉換成 Copper Cable 的 Module，現整理並於下表列出。

Mode Conditioning Patch Cable

由於 Single Mode Fiber 價格較高，如非達到公里以上的距離，都盡量使用 Multi-mode Fiber。但 Multi-mode Fiber 距離有限，如想突破 Mutli-mode 的距離限制，還有一個秘技。就是把 Multi-mode Fiber 配合 Single Mode Module 使用。以 OM1 傳輸 1G 頻寬為例，用 Single Mode Fiber Module 可把距離由 220 公尺提升至 550 公尺。但需配合一款名為 Mode Conditioning Patch Cable 把 Single Mode Signal 轉換成 Multi-mode Signal。

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光纖界面讀數

用 show interfaces <int> transceiver 可以看到界面讀數，特別留意 Tx Power 和 Rx Power，Tx Power 應為 -10dBm 以上，而 Rx Power 應為 -17dBm 以上，如低於此值代表光訊號太弱，可能是光纖線受損，如低於 -30dBm 的話其實已經接收不到訊號了。

SW#show interfaces gigabitEthernet 1/0/1 transceiver
ITU Channel not available (Wavelength not available),
Transceiver is internally calibrated.
If device is externally calibrated, only calibrated values are printed.
++ : high alarm, +  : high warning, -  : low warning, -- : low alarm.
NA or N/A: not applicable, Tx: transmit, Rx: receive.
mA: milliamperes, dBm: decibels (milliwatts).

                                           Optical   Optical
           Temperature  Voltage  Current   Tx Power  Rx Power
Port       (Celsius)    (Volts)  (mA)      (dBm)     (dBm)
---------  -----------  -------  --------  --------  --------
Gi1/0/1      38.7       3.29       6.1      -5.1      -4.4

如出現以下訊息則代表 GBIC / SFP 並不支緩 Monitoring，無法讀取讀數。

SW#show interfaces gigabitEthernet 1/0/2 transceiver
Diagnostic Monitoring is not implemented.

Jan Ho 2017-01-14

Posted In: Layer 1 網絡技術, menu-tall-2-zh-hant

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