光纖（Fiber）

Posted on 2011/01/04 in 光, 光的折射, 物理 with 沒有迴響 20,164 views

光纖（Fiber）
國立臺灣師範大學物理系吳幸璇碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

前言

光纖是二十世紀偉大的發明之一。光纖能夠攜帶非常大量的資料以非常低的損耗傳送很遠的距離，與傳統電纜相比光纖也具有重量輕與體積小的優點，同時光纖也有難以竊聽及干擾的特性，是目前通訊中不可或缺的技術。

光纖構造

光纖是由核心（Core）、外殼（Cladding）及保護層（Jacket）所組成，結構圖如下圖所示

核心（Core）：光纖中主要傳遞光信號的部份。
外殼（Cladding）：被覆在核心外圍的部份。
保護層（Jacket）：保護在外殼周圍，以防止損害光纖之外殼及核心

光纖原理

光在光纖內的傳播原理是利用光之全反射現象，所謂全反射，是指當光由折射率較大之介質入射於折射率較小之介質時，如果入射角大於某一值時即會發生完全反射的現象。

由司乃耳定律可知，假設兩介質的折射率即入射角分別為 $$n_1,n_2$$ 及 $$\theta_1,\theta_2$$，則兩者之間的關係：$$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$$

當折射率 $$n_1$$ 大於 $$n_2$$ 時，$$\theta_1$$ 小於 $$\theta_2$$，當 $$\theta_2$$ 變成90度時，光在介面發生全反射而進入折射率較大之介質內，無法進入折射率較小之介質。此時的入射角稱為臨界角 $$\theta_c$$，又由司乃耳定率可以得知 $$\theta_c$$符合以下式子

$$\displaystyle\theta_c=\sin^{-1}(\frac{n_2}{n_1})$$

故可以得知，只有入射角大於臨界角的時候，才會產生全反射的現象。

光纖即是應用全反射原理來傳導光線，為使光線能在核心中傳送，所以核心部份之折射率須比外殼之折射率大，才能造成全反射。

光纖分類

光纖依照光的傳播模態可以分為單模光纖（Single Mode Fiber）及多模光纖（Multi Mode Fiber），其中多模光纖又可依折射率分部型態不同而分為步階多模光纖（Step-Index Fiber）及漸變多模光纖（Grades Index Fiber）。

單模光纖是指在一般場合下只能作一個基本模態之傳送；而可以傳播數百到上千個模式的光纖則稱之為多模光纖。

光纖的應用

光纖可以應用於很多領域，包括光纖通訊、電話工業、短距離的資料傳輸系統、海底電纜系統、視訊與影像系統、醫療用之內視鏡、音響之訊號線等等。

光纖通訊系統對於電信工業產生了革命性的作用，同時也在數位時代裡扮演非常重要的角色，主要原因是因為其有以下的優點：

通信容量大：理論上，兩根光纖，即可以傳送上百萬個電話、和上百個電視節目；極適合於數位信號的傳輸。如果像電纜那樣，把十幾根或上百根光纖，組成光纜，再使用分波多工技術，其通信容量就會大得驚人。
中繼距離長（傳輸損耗低）：光纖的突出優點之一，就是損耗小。目前，光纖的最低損耗，已達 0.2 dB/km ，甚至更低。光纖的損耗如此之小，使其所需中繼放大距離較傳統電纜提升數十倍，大幅降低系統的建設成本，使傳輸距離大大增加。
不受電磁干擾：光纖的主要構成材料是 SiO₂ ，其為電的絕緣體，不會受到電磁波的干擾，非常適合在有電波干擾或多雷電的區域取代電纜通訊系統。
保密性高：傳統電波訊號在金屬傳輸線中傳輸，極易因輻射外洩而使訊號被竊取。光纖為一介質光波導，無電波輻射外漏的問題，而且不易被偷接，因此傳送資訊保密性極強。
資源豐富：光纖的主要構成材料是 SiO₂ ，其資源十分豐富，而且大量生產技術已臻成熟，使光纖的低生產成本能維持很久。
光纜重量輕、體積小：相同線路的光纜，要比電纜輕 90%- 95% ，而直徑不到電纜的五分之一。故運輸和架設，都比較方便。