光纖 (Optic fiber)

History of fiber-optical 1870年 將光波打入玻璃管內，為光纖的開山鼻祖。 1966年 英國高錕博士，發表低損失光纖通信的論文 1970年 美國康寧公司，製造出低損失光纖

「光纖通訊之父」─高錕 高錕博士生於上海，其後移居香港。他在英國取得倫敦大學博士學位，歷任歐美多家著名電訊機構的重要職位及香港中文大學校長。早年使用玻璃纖維傳送光訊號時，能量損失很大，而高錕雖不是發明光纖之人，但是他在1966年提出如何消除光纖中OH離子的方法，使得光傳輸時能量損耗降至最低，從此光纖通訊便成為可行，所以高錕被譽為「光纖通訊之父」。

公式 Snell’s law定理 n1 sinθ1= n2 sinθ2 Total internal reflection全反射 臨界角 θc=sin-1( n2/n1) n=c/vm n:距離(纖)核中心距離某處之折射率 c:光波傳送每秒的速度 3×108(m/s) vm:光波在傳輸介質中的速度

光的全反射現象 當光由較密的介質 (折射率 n 值較大者 n1 ) 射入較疏的介質 (折射率 n 值較小者 n2) 時， θ2 會大於 θ1 ， 雖然入射角 θ1 可能是介於法線和介面間的任何角度 (0 ≦ θ1 ≦ 900) ， 然而折射角 θ2 達到 90 度後， 無法呈現光進入較疏介質的折射情形而全部反射回原入射的較密介質中， 波的這種現象就稱之為「全反射 」。

Total Internal Reflection (全反射) 全反射臨界角 當光線從光密介質射向光疏介質時，當入射角θr 增 至臨界角時，折射角θt=90°。(ni sinθi= nt sinθt) 全反射的應用 光纖利用全反 射來傳輸光線

單模態光纖 單模態階射率光纖(Single-mode step index fiber): 光波在單模態光纖中傳輸，幾乎不產生失真，且寬頻帶特性更好；核心過小由於熔接機性能提昇接續簡便，在光源與光纖及光纖熔接點易產生損失。

多模態光纖 多模態階射率光纖 多模態斜射率光纖 (Multi-mode step index fiber) 光波在此種光纖傳播 時，因射向界面小於臨界之光線會折射至纖殼，輸出端信號失真大。 多模態斜射率光纖 (Multi-mode graded index fiber) 由於核心折射率分佈 為拋物線，且不同模態 間傳播速率差較小，寬 頻帶較階射率好，失真 亦較小。

介紹光纖重要傳輸參數 孔徑(NA:Numerical Aperture) 1.與幾何結構有關,表示光纖的聚光能力,可決 定光纖耦合的效率 光纖分散特性亦隨之提高,傳輸速率跟著降低 3.CCITT建議50/125µm之斜射率光纖其NA在 0.15-0.24 之間

光纖之光色散 光在光纖中傳輸時的頻寬特性 光脈衝在光纖中傳輸距離愈遠,因時間的 延遲而有變寬的現象稱為分散或稱色散 (dispersion) 造成色散的原因為模態分散,材料分散, 波導分散等因素。

非零色散光纖 目前使用的光纖多為零色散光纖 ( Zero Disperse Fiber ) ※非零色散光纖(Non-zero Disperse Fiber) 1. 1994年貝爾實驗室,專為密集分波多工系統(DWDM)開發了非零色散光纖。 2. 將光纖在1530nm-1565nm波長間故意安排少許的色散材料,用以壓抑串音。

光纖損失 光在光纖中傳遞會因散射,輻射,波吸收,耦合,連接,彎曲等因素,致使波幅漸減,歸納 光纖傳輸損失可分兩大類: 內在因素所引起的損失 (1)材料吸收損失可分成本質吸收及介入雜質損失 (2)線性散射損失可分雷萊散射(Rayleigh scattering)及 麥氏散射(Mie scattering) (3)非線性散射損失 (4)洩漏模態(Leaky modes)

光纖外在因素所引起的損失 彎曲損失 微彎曲損失 輻射效應所致損失 接續損失,工程施工上最大的考慮因素 製造,運送或佈放施工時受到的傷害

Graded index fibers 實際是多模態斜射率光纖， N為斜射率光纖可利用模態圈數;需以微觀像樹的年輪

Losses in fiber-optical system 當平均光功率為120µw的光信號耦合入光纖,光纖長度8km,其輸出平均光功率為3µw,求: 8km長光纖的總損失。 此段光纖的單位長損失。 [解]

光纖通信的原理 光纖通信的原理; 利用發光元件如雷射二極體(laser diode)或發光二極體(light emitted diode) ，在發信端將電能之變動轉變為光之變動,經由光纖之傳播,在於受信端利用檢光器如PIN二極體或崩瀉(潰)二極體(avalanche photo diode-APD) ，將入射光吸收並轉換電的信號輸出,如此即可達成通信的目的。

光纖通訊(Optical Fiber Communication) 光纖是用玻璃纖維製成，其內層之核心(Core)部份折射率較大，而外圍之披覆層(Cladding)部份折射率較小，因此雷射光可在內外層之間形成全反射而導光。 目前光纖通訊主要是使用波長在1320nm附近與1550nm左右的雷射光。

光纖通訊的優點 光纖通訊的傳輸頻寬，可達到微波通訊的十萬倍以上，更達到傳統低頻電纜通訊十億倍以上，因此每單位時間能傳送較多的資訊。 光纖通訊可傳送較遠的距離，而微波通訊之訊號會隨著距離增加而快速衰減。 光纖通訊較能避免訊號被干擾，且保密性高。

光纖與光纜─將許多根光纖綑在一起，外圍再包一層塑膠，便可形成光纜，可傳送更多資訊。

光纖通訊所用的零組件 (財團法人儀器科技中心施至柔博士提供)

光纖在醫療用內視鏡中的應用 各種醫療用內視鏡如胃鏡、大腸鏡等，都使用光纖傳輸訊號。 內視鏡的基本結構─以胃鏡為例(左圖) ，前端為一個迷你攝影機，而所拍攝到的胃內部影像訊號透過光纖傳送到外部螢幕上(右圖) 。

光纖感測器 光纖除了可用於通訊與醫療之外，還可用作感測器。因為光纖的折射率，會隨著微小溫度、壓力、位移等改變而發生變化，這改變會導致光在傳輸時，產生速度、相位、極化方向(Polarization Direction) 等特性的改變，而這些改變被偵測出來後，便可推知溫度、壓力、位移等之變化量。

光纖橋樑接縫感測器─可偵測橋樑接縫是否變大，當接縫大到超過臨界值時，便會發出警訊，通知人員檢修，以避免斷橋事件發生 (逢甲光電所劉文豐教授提供)

光纖應用在醫療器材方面 1.使用光纖測定人體各器官的生理信號 2.運用光纖的可撓性,作內視鏡檢查如胃.. 3.可使用在診斷循環系統,如心導管.. 4.可測出血壓和血流變化… 5.下學期專題報告有機會在介紹光纖通信設計迴路 熔接方式,損失的考慮...

光纖的其他用途 可使用光纖將太陽光導引地下室或暗無天日的地方，對於必須長年生活在這些地方的人之健康極有幫助，會比只使用電燈或日光燈照明要好得多。 許多藝術家用光纖導引各種顏色的光，製作不同的景物造型。

結論-1 光纖技術為今日之當紅炸子雞 光纖的損失因素很多,實際上並不會影響太多傳輸上的障礙,先決條件再接續時應注意下列事項: (1) 核心的中心軸水平偏移一致 (2) 接續端面空隙不能太大或太小 (3) 核心的中心軸不能太傾斜

結論-2 (4) 核心的直徑需相同(即材質,模態) (5) 折射率比要一致(即材質,模態) (6) 光纖切斷面要清潔不能污染 (7) 熔接機電壓要注意穩定不能太高或不足 (8) V型接續槽要注意清潔 (9) 注意設定熔接時的參數