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光纖的原理與應用 班級:車輛三乙 學號:49715107 姓名:劉軒志 一、摘要 • 國家科技越來越先進，效率也是很重要的一環，在 還沒有光纖的時候，網路的速度讓人都很無奈，也或 者觀看視訊會議時總是會延遲或卡住，導致很多事情 都被網路等待的時間給拖延了，有了網路雖然就已經 很方便了，可是人類的需求更大，時間就是金錢，效 率變的很重要。 二、前言 • 在這個資訊發達的時代，為了節省時間，訊息傳遞 的速度越來越快。從古代的飛鴿傳書到現在的網際網 路，顯示出現代人類科技的發展與進步。現在最快、 最新的傳遞訊息管道「光纖」，它可以讓資料傳輸的 非常快，又不會散失。因為它影響了我們現在資訊的 傳播，增加了許多方便性。光纖還不只用於網路通信 而已! 三、何謂光纖 • 「光纖」就是能輸送光線的纖維。 • 「光纖」的主要功用就是傳輸「光波」，因為「光波」 在空氣中傳送都是沿直線進行，很容易被障礙物阻擋， 所以需要「光纖」來幫忙輪送。 • 「光纖」是根據「全反射」的原理來傳輸「光波」， 而在「全反射」的狀況下，整條「光纖」就像一條周 圍都是鏡子的管線，一旦光線進入這條管子，它再也 跑不出來，只有乖乖地從進口的這一端乖乖地跑到出 口的那一端，就完成了「光波」的傳輸。 三、光纖的發展史 • 光作為通訊的觀念可以追溯回較古的時代，當時是用火光來傳遞 訊號作為警戒用途。後來在海上航行的船隻利用燈號來作為通訊 用途。 • 第一項屬於「光通訊」的專利在西元1880年由貝爾(Alexander Graham Bell)發明的「光話機」(Photophone)所獲得。 • 貝爾將太陽聚成一道極為狹窄的光束，照射在很薄的鏡子上，人 們發出聲音的「聲波」讓這面薄鏡產生振動時，「反射光」「強 度」的變化使得感應的偵測器產生變動，改變「電阻」值。接收 端則利用變化的「電阻」值產生電流，還原成原來的「聲波」。 由於光線在空氣中的衰減速度很快，使得「光通訊」並非很實用。 三、光纖的發展史 • 西元1870 年時，約翰道耳(John Tyndall)作了一個實驗，讓「光波」在由桶 底流出的水柱中傳播，因為光為「電磁波」的一種，所以我們稱水柱那 樣可以傳導光波的物質為「波導（waveguide）」介質「波導」的理論則 始於西元1910 年。 • 「光纖通訊」始於1960 年代，使得「光纖」成為現在及未來通訊的主力 乃是基於兩個事件的激發： • 首先是西元1960 年美國物理學家梅門（Theodore Harold Maiman）成功地使 紅寶石振盪產生「雷射光」。 • 第二則為西元1966 年，科學家高錕（Charles Kao）及George A. Hockham， 他們預測製作的「光纖」，能夠讓「光波」在其中傳輸一公里，仍有原 來1﹪的光能量，那麼光纖就能夠像電纜一般，來作為傳輸工具。 • 在當時，即使是最好的「光纖」，「光波」在其中傳輸20 公尺就已使光 能量降低至原來能量的1﹪。 三、光纖的發展史 • 西元1970 年，由貝爾實驗室製作成功，可於常溫下連續振盪之半 導體雷射（Semi-Conductor-Laser）及康寧玻璃工廠（Corning Glass Work）製造出每公里衰滅小於20 分貝的低損失石英質（Silica）光 纖後，「光纖」技術一日千里。 • 今日，由於光電科技的發展，每公里衰滅低於1 分貝，傳輸頻寬 「頻率寬度」高於800MHZ 的光電纜已可大量生產，再配合「高階 數位多工」（High Order Digital Multiplex）技術的發展以及高性能 「光電元件」（Opto-Electronic Device）的開發，每秒傳播速度高達 九千萬「位元（BinaryDigit，簡稱bit）」，甚至每到每秒四億「位 元」之高速大容量光通訊系統，目前已達實用化的階段。 四、光纖的運作原理 • １、折射率 • 折射率可以用來計算在物質裏的光線速度。在真空裏，像外太空， 光線的傳播速度最快，大約為 3 億公尺／秒。 • 一種物質的折射率是真空光速除以光線在這物質裏傳播的速度。 所以，根據定義，真空折射率是 1 。折射率越大，光線傳播的速 度越慢。通常光纖的核心的折射率是 1.48 ，包覆的折射率是 1.46 。 所以，光纖傳導訊號的速度粗算大約為 2 億公尺／秒。 • 電話訊號，經過光纖傳導，從紐約到雪梨，大約 12000 公里距離， 會有最低 0.06 秒時間的延遲。 四、光纖的運作原理 • ２、全反射 • 移動於密度較高的介質的光線，以大角度入射於核心-包覆邊 界時，若這入射角（光線與邊界面的法線之間的夾角）的角度大 於臨界角的角度，則光線會被完全地反射回去。光纖就是應用這 種效應來局限傳導光線於核心。在光纖內部傳播的光線會被邊界 反射過來，反射過去。由於光線入射於邊界的角度須大於臨界角 的角度，只有在某一角度範圍內射入光纖的光線，才能夠通過整 個光纖，不會洩漏損失。這角度範圍稱為光纖的受光錐角，是光 纖的核心折射率與包覆折射率的差值的函數。簡單地說，光線射 入光纖的角度必須小於受光角的角度，才能夠傳導於光纖核心。 受光角的正弦是光纖的數值孔徑。數值孔徑越大的光纖，越不需 要精密的熔接和操作技術。 五、光纖的基本結構 • 光纖的結構如圖所示，它為圓形且細如髮絲之玻璃纖維，主要分 為兩部分，裏層稱「核心（Core）」，通常以玻璃做成；外層稱 為「纖殼（Clad）」。 五、光纖的基本結構 • 「光纖」是屬於介質波導之一種，故只要條件許可， 也可使用特殊的塑膠材料或液體材料。由於「光纖」 的「核心」的直徑只有數個「微米」至數十「微米」， 而「纖殼」的直徑也僅在一百至兩百微米之間，其本 身相當微弱。因此，在一般應用中，會於外層再鍍上 一層塑膠，並再加一層尼龍，以免受到外界化學物質 的侵蝕。 五、光纖的基本結構 • Ａ、多模光纖: • 核心直徑較大的光纖（大於10 微米）的物理性質，可 用幾何光學的理論 來分析。 • 在一個多模突變光纖內，光線靠著全反射傳導於核心。 當光線遇到核心-包覆邊界時，假若入射角大於臨界角， 則光線會被完全反射。臨界角的角度是由核心折射率 與包覆折射率共同決定。假若入射角小於臨界角，則 光線會折射入包覆，無法繼續傳導於核心。臨界角又 決定了光纖的受光角，通常以數值孔徑來表示其大小。 五、光纖的基本結構 • Ｂ、單模光纖 • 核心直徑小於傳播光波波長約十倍的光纖，不能用幾 何光學理論來分析其物理性質。 • 替而代之，必須改用馬克士威方程式組來分析，想出 相關的電磁波波動方程式。視為光學波導，光纖可以 傳播多於一個橫模的光波。只允許一種橫模傳導的光 纖稱為單模光纖。常見的一種單模光纖，核心直徑大 約為 8–10 微米，專門用於傳導近紅外線。多模光纖的 核心直徑可以小至 50 微米，或者大至幾百微米。 五、光纖的基本結構 六、光纖傳遞的衰減 • 在介質內光纖的衰減，又稱為傳輸損失，指的是隨著傳輸距離的增 加，光束（訊號）強度會減低。 • A、散射因素 • 粗糙、不規則的表面，甚至在分子層次，也會使光線往隨機方向反射， 稱這現象為漫反射或光散射，其特徵通常是多種不同的反射角。光波入 射於內部的邊界面時，會因為不同調散射而造成衰減。當光學倍率變高 時，光纖的非線性光學行為也可能會造成光散射。 • B、紫外線和紅外線吸收 • 由於不同的原子或分子有不同的自然振動頻率，它們會選擇性地吸收不 同頻率（或不同頻率帶）的紅外線光波。當紅外線光波入射於這不匹配 的光纖材料，一部分能量會被反射，另一部分能量會被透射，就會造成 光纖傳遞的衰減。 七、光纖的應用 • １、電信網路 • 光纖通訊在全球的電信網路應用所佔比例最大，佔整體光纖通訊 產值超過七成以上，長途海底纜線中有九成半以上都採用光纖來 取代傳統電纜。 • ２、數據傳輸網路 • 電腦資訊與通訊的結合產生了Internet，網路的興起也形成了另一 個產業。 • ３、有線電視網路 • 有線電視網路也是一個新興的產業，光纖在有線電視網路上的進 展相當快，最常用的是混合式光纖同軸電纜(HFC)，HFC 結合了光 纖與同軸的最佳特性，在傳輸影音的性能上備受重視。 八、光纖的優缺點 九、結論 • 在這個追求效率的時代，光纖會的逐漸成 為我們生活必需的一部分，現在除了網路，在 其他地方也常常使用到光纖。光纖除了可以用 在通訊用途外，還可以用在醫療器材上，光纖 已經漸漸的成為主要通訊媒介。這算是對世界 貢獻很大的技術。 十、參考文獻 • 註一：李銘淵(2009)。光纖通信概論。台北：全華科技 圖書公司 • 註二：易善穠、陳瑞鑫、陳鴻仁、林依恩(2004)。光通 訊原理與技術。台北：全華科技圖書公司。 • 註三：張安華(2005)。光纖通訊與實習。台北：新文京 圖書。 • 註四：黃胤年(2001)。簡易光纖通信。台北：五南圖書 公司。 • 謝謝觀賞，報告到此結束。