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11/100 第2周：網路傳輸媒介與技術
11. 光纖基礎與分類 🌈
單模/多模差異與常見光纖類型！
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🎯 單元導讀
在現代電信網路中，光纖（Optical Fiber） 就像「高速公路」：
• 它把光訊號（光脈衝）傳遞在極細的玻璃纖維中，提供極高頻寬與超長距離傳輸。
• 透過全反射原理，光能在纖芯中來回反射而不外洩。
沒有光纖，再先進的無線技術也無法在核心與回傳層提供穩定的「大水管」。
👉 一句話：光纖是現代網路的骨幹，決定了數據運輸的速度與穩定性。
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🧠 一、光纖的核心概念
1️⃣ 基本功能
• 傳輸：用光訊號代替電訊號，大幅提高速率與距離。
• 隔離：電磁不干擾，抗雜訊能力強。
2️⃣ 工作原理
• 全反射（Total Internal Reflection）：光在纖芯與包層交界面反射前進。
• 模態（Mode）：光在纖芯中傳輸的路徑模式，不同模態影響傳輸品質。
3️⃣ 性能指標
• 衰減（Attenuation）：光信號隨距離損耗，單位 dB/km。
• 色散（Dispersion）：不同波長速度不同造成脈衝展寬，影響傳輸距離與速率。
• 頻寬（Bandwidth）：可支援的資料速率範圍。
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🧠 二、光纖的主要類型
1️⃣ 單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）
• 結構：纖芯直徑小（約 8–10 μm），只允許一種光模態傳輸。
• 特點：衰減低、色散小，傳輸距離最長、頻寬最高。
• 應用：骨幹網、長途傳輸、5G/6G 回傳。
2️⃣ 多模光纖（Multi-Mode Fiber, MMF）
• 結構：纖芯直徑大（約 50–62.5 μm），允許多種模態同時傳輸。
• 特點：成本較低、收發模組便宜，適合短距離高速連接。
• 應用：資料中心、企業內部網路。
3️⃣ 常見光纖分類（國際標準）
• OS1/OS2：單模光纖規格，OS2 衰減更低、適合室外長距離。
• OM1–OM5：多模光纖規格，OM5 支援多波長傳輸、速率更高。
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💻 三、ASCII 示意圖
1️⃣ 單模光纖 (SMF)
纖芯(細) 包層
●========●
↑僅一條光路→
→ 長距離、骨幹用
2️⃣ 多模光纖 (MMF)
纖芯(粗) 包層
●========●
↗↘↗↘ 多條光路
→ 短距離、資料中心用
上面兩個 ASCII 圖示表達了光纖結構與用途的差異：單模光纖（SMF）纖芯較細，只傳輸單一路徑光訊號，干擾小、損耗低，適合長距離與骨幹網路；多模光纖（MMF）纖芯較粗，可同時傳輸多條光路，雖然距離較短但成本低、連接方便，常用於機房或資料中心內部傳輸。
👉 說明：
• 單模 = 高速公路專車道，跑得遠。
• 多模 = 多車道交流道，跑得快但距離短。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題
請解釋單模光纖與多模光纖在纖芯大小、傳輸距離與應用場景上的差異，並說明為什麼骨幹網偏好單模、資料中心偏好多模。
• 纖芯大小：
o 單模光纖（SMF）：纖芯直徑約 8–10 μm，僅傳輸單一光模式，衰減與色散極低。
o 多模光纖（MMF）：纖芯直徑 50 μm / 62.5 μm，可同時傳輸多個光模式，色散大。
• 傳輸距離與頻寬：
o 單模光纖：可達 數十至上百公里，頻寬/速率非常高（Tbps等級）。
o 多模光纖：僅適合 數百公尺至幾公里的短距離連接（OM3/OM4在10G速率下約300–550m）。
• 應用場景：
o 單模光纖：長距離、高速、骨幹網、電信回傳、城域網。
o 多模光纖：短距離、高密度、資料中心內部、伺服器機櫃互連。
• 為何骨幹網偏好單模：長距離、高穩定、高頻寬、可支援DWDM；多模在長距離會有模態色散限制速率。
• 為何資料中心偏好多模：距離短、收發模組便宜、施工方便且高密度，性價比高。
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2️⃣ 應用題
如果你要規劃一條 5G 回傳網路，請說明為什麼選用 OS2 單模光纖比 OM4 多模光纖更合適。
• 傳輸距離：5G基地台到匯聚節點常超過2–5公里，OM4在高頻寬下僅支援數百公尺，距離不敷需求；OS2單模可達數十公里。
• 頻寬與升級彈性：OS2支援更高階速率（100G/400G/800G）及DWDM擴充，能隨流量增長升級；OM4受限模態色散。
• 損耗與色散：OS2在1310/1550nm波段損耗低（約0.4dB/km），模態色散小；OM4長距離色散大。
• 成本效益：雖然單模收發器起初較貴，但隨5G普及價格下降，一次佈建可用多年，總擁有成本優於多模。
結論：5G回傳屬於長距離高頻寬連結 → 選用OS2單模光纖最合適。
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3️⃣ 情境題
假設要在偏鄉醫療院所與市區醫院之間建立高速專線，該選單模還是多模？原因是什麼？有何成本與維護考量？
• 選擇：應選 單模光纖。
• 原因：
o 距離可能數公里甚至數十公里，多模無法達到要求。
o 醫療資料需要高穩定、低延遲、可冗餘保護，單模更可靠。
o 長期擴充流量需求（醫療影像、雲端診療）時單模可平滑升級。
• 成本考量：
o 單模初期光模組與施工費用稍高，但只需一次鋪設，後續升級換模組即可；
o 多模雖模組便宜但距離受限，若需中繼或多段拉纜，維護和擴充反而更貴。
• 維護考量：
o 單模可用成熟OTDR測試與監控工具；
o 多模長距離要控制插入損耗和模態色散，維護難度較高。
結論：偏鄉醫療專線用 單模光纖才能一次布建多年使用，滿足長距離、高速、安全傳輸需求，長期成本與維護更划算。
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✅ 五、小結與啟示
• 光纖是現代網路的骨幹，速度與穩定度都遠勝傳統銅纜。
• 單模 → 細纖芯、低衰減、長距離、骨幹回傳。
• 多模 → 粗纖芯、低成本、短距離、資料中心。
• 規格（OS1/OS2、OM1–OM5）直接決定速率、距離與成本。
👉 一句話總結：光纖是數位世界的高速公路，單模跑得遠、多模跑得快，各有最佳用途。
