- 專欄
文章專區
2016-09-01半世紀的通訊技術─光纖
561 期
Author 作者
廖顯奎／國立臺灣科技大學電子工程系特聘教授；國立交通大學光電博士；國立臺灣大學機械博士。
光纖緣起
回顧用光進行資訊傳遞的歷史，可以追溯到中國古代的烽火台，夜裡燃燒加有硫磺和硝石的乾柴火光通明，以傳遞軍情，乃至現在的信號彈，十字路口所用的紅綠燈，都是利用光進行資訊的傳遞，而眼睛能看見光的頻譜，光照射到物體上反射映入我們的眼睛成像，也算是光通訊的一種，都與日常生活息息相關。
第一代光纖是1966年由華裔科學家高錕（Charles Kuo）博士所發明，光纖是一種很純化的玻璃材料（SiO2），它可以做為光波的傳輸導管以傳送光資訊。光在玻璃光纖中靠全反射原理傳輸。針對光波在實心材料傳輸會有吸收與散射問題的改善，從1970年美國康寧玻璃公司製出損耗20dB/km的光導光纖，到1973年美國貝爾實驗室將損耗進一步降至2.5dB/km，乃至1980年日本的茨城通信研究所成功地研製出接近理論極限值為0.2dB/km的光纖，也就是光波在經過1公里長的光纖傳輸後，還剩下98%的功率近乎理論光功率損耗之極限至今仍維持此一數值無法進一步降低。
這裡dB（decibel，分貝）指的是光功率的損耗，定義為10log10（I1 / I2）。如果經過一公里光纖後的光功率只剩一開始的1%（I1 / I2 =100）則損失了20 dB。
光纖傳輸原理與特性
光纖是利用光在玻璃或塑料製成的纖維中，以全反射（total reflection）原理傳輸的光傳導工具。讓訊息可以從某一端點傳送到另一個端點的傳輸媒介質。類似圖一的光在玻璃管中的由左至右傳送方式。
圖一（插圖：吳宛蓁）
全反射是一種光學現象，當光線經過不同折射率的介質時，若密介質端（玻璃光纖）的入射角大於臨界角時，光會全部向內面反射，即是全反射。而從疏介質端（外部空氣）要進入密介質玻璃則不會有此現象。至於光纖結構圖是實心同心如圖二所示。光纖內層稱為纖核（core），纖核外被覆一圈為纖殼（cladding），前者折射率比後者大1%所以纖核內傳導的光到達纖核／纖殼介面時若超過臨界角便會折回纖核。如圖三光纖纖核折射率大於纖殼折射率，黑色之入射光沿著光纖軸心進入，因為與軸心所夾之角度較小所以在纖核／纖殼介面會產生全反射，光纖內的光不斷全反射傳輸而將光侷限在纖核中，也就是當入射光入射角度在數值孔徑（NA）內，就能在光纖中全反射傳輸。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第601期】
圖二：光纖的結構圖。
圖三：光在光纖中傳輸示意圖。