光纤(Fiber)


发布于: 2020-06-18


前言

光纤是二十世纪伟大的发明之一。光纤能够携带非常大量的资料以非常低的损耗传送很远的距离,与传统电缆相比光纤也具有重量轻与体积小的优点,同时光纤也有难以窃听及干扰的特性,是目前通讯中不可或缺的技术。

光纤构造

光纤是由核心(Core)、外壳(Cladding)及保护层(Jacket)所组成,结构图如下图所示

光纤(Fiber)

光纤原理

光在光纤内的传播原理是利用光之全反射现象,所谓全反射,是指当光由折射率较大之介质入射于折射率较小之介质时,如果入射角大于某一值时即会发生完全反射的现象。

由司乃耳定律可知,假设两介质的折射率即入射角分别为 $$n_1,n_2$$ 及 $$\theta_1,\theta_2$$,则两者之间的关係:$$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$$

光纤(Fiber)

当折射率 $$n_1$$ 大于 $$n_2$$ 时,$$\theta_1$$ 小于 $$\theta_2$$,当 $$\theta_2$$ 变成90度时,光在介面发生全反射而进入折射率较大之介质内,无法进入折射率较小之介质。此时的入射角称为临界角 $$\theta_c$$,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,只有入射角大于临界角的时候,才会产生全反射的现象。

光纤(Fiber)

光纤即是应用全反射原理来传导光线,为使光线能在核心中传送,所以核心部份之折射率须比外壳之折射率大,才能造成全反射。

光纤(Fiber)

光纤分类

光纤依照光的传播模态可以分为单模光纤(Single Mode Fiber)及多模光纤(Multi Mode Fiber),其中多模光纤又可依折射率分部型态不同而分为步阶多模光纤(Step-Index Fiber)及渐变多模光纤(Grades Index Fiber)。

单模光纤是指在一般场合下只能作一个基本模态之传送;而可以传播数百到上千个模式的光纤则称之为多模光纤。

光纤(Fiber)
光纤(Fiber)

光纤(Fiber)

光纤的应用

光纤可以应用于很多领域,包括光纤通讯、电话工业、短距离的资料传输系统、海底电缆系统、视讯与影像系统、医疗用之内视镜、音响之讯号线等等。

光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的作用,同时也在数位时代里扮演非常重要的角色,主要原因是因为其有以下的优点:

当然光纤通信,除上述优点之外,光纤本身也有一些缺点。如光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术,分路、耦合比较麻烦。但这些问题,都会随着科技的发展,而变得容易解决。

结论

在这个资讯爆炸的时代,光纤通讯缩短了人与人及国与国之间的距离,也增进了人类社会彼此之间的资讯交流及相互间的了解,让我们更加接近了地球村的理想,不可置否地,在未来的世代中,光纤将会扮演一个不可或缺的关键角色,并持续广泛的应用。

参考资料:



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