藍色情懷

光纖之原理淺說

  從本世紀70年代初至今，尤其是近20年來，光纖通信迅猛發展，現已在長途幹線網中逐步取代同軸電纜、微波等而成為主要傳輸手段。可以預計，在不久的將來， 光纖通信將進入用戶網，逐步取代用戶網中的音頻電纜，從而走進千家萬戶。所謂光纖通信，是指將要傳送的語音、圖像和數據信號等調製在光載波上，以光纖作為 傳輸媒介的通信方式。而光纖是迄今為止發現的最 適合傳導光的傳輸媒介，是光纖通信系統中不可缺少的組成部分。

光纖的導光原理

 　在解釋導光原理之前，我們必須先瞭解光纖的結構。光纖有不同的結構形式，目前實用的光纖絕大多數採用由"纖芯 "和"包層" 和兩個同心圓組成的結構形式。圖1示出了階躍型光纖的結構圖。光纖中心部分是纖芯，其折射率為n1、直徑為2a。纖芯的作用是傳導光波。纖芯以外的部分稱為包層，其折射率為n2, 直徑為2b包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。

為了達到傳導光波的目的,纖芯折射率n1必須稍大於包層折射率n2。為什麼必須這樣設計呢？

　　首先，光波是一種電磁波，具有電磁波的一般特性，即波動性。光波的波長在電磁波譜中偏於較短的一側，因而又具有其"個性"，即光波的傳播更接近射線形 式。現在我們利用射線光學理論，來解釋光波在光纖中傳播的物理現象，用這種方法分析雖然不太完整，但卻簡單、直觀。

　　射線光學是指光波長與光纖尺寸相比很短時，用射線代表光能量傳輸路線的分析方法。射線光學又稱為幾何光學。它有光的直線傳播定律、光的反射定律和光的折射定律三個基本定律。

　　光的直線傳播定律是，光在均勻媒質中沿直線傳播，並具有一定的速度。光波在真空中的傳播速度：C=3x108 m/s；光波在其它媒質中的傳播速度：v=C/n 。其中n是媒質的折射率。在空氣中，由於n≒1，光波的傳播速度接近於C；二氧化硅（SiO2）玻璃的折 射率n≒1.5。
光的反射定律是，光在傳播過程中碰到兩種媒質的交界面時會發生反射，且反射角（θ1′）等於入射角(θ1)，如圖2所示。　　　

　　光的折射定律（斯奈爾定律）是：光從一種媒質進入第二種媒質時，傳輸方向會發生改變(如圖2所示)，且滿足下式：n1sinθ1= n2sinθ2，式中θ1為入射角，θ2為折射角，n1 、n2分別為第一種媒質和第二種媒質的折射率。折射率大的稱為光密媒質，折射率小的稱為光疏媒質。從圖2中可以看出，當n1>n2時，隨著入射角 θ1的增大，折射角θ2也越來越大，當θ2=90?時，光線不再進入第二種媒質；當入射角再增大時，光能量將全部返回第一種媒質，這種現象稱為全反射。

　　正因為我們是利用全反射原理將光能量限制在光導纖維中，所以在製作光纖時，必須使得纖芯材料的折射率大於包層的折射率，這樣才能保證光波在光纖中沿纖芯傳播。

光纖的分類

　 　光纖的種類很多。按照其橫截面上摺射率的分佈可分為階躍型（或突變型）光纖和漸變型（或自聚焦）光纖；按照傳輸模式的多少可分為單模光纖和多模光纖；按 照其工作波長可分為短波長（0.8～0.9μm）光纖、長波長（1.0～1.7μm）光纖和超長波長（>2μm）光纖；按照光纖組成的材料劃分有石 英玻璃光纖、多組份玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖和液芯光纖。
目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纖。石英玻璃光纖可分為三種類型：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和單模光纖。這三種光纖的幾何尺寸和典型的性能參數如附表所示。

光纖與傳統傳輸媒介的比較

　　光纖可以用於傳輸光，這使得光纖通信系統具有極大的帶寬，通信容量極大。從圖3所示的電磁波譜中可以看到電磁波頻率由低到高，為無線電波（超長波、長 波、中波、短波、微波）、光波（紅外、可見光、紫外）、X射線，γ射線等。在一般的電通信中，無論是有線還是無線通信，都是將低頻信號（例如音頻或視頻） 調製到高頻載波上，載波的頻率越高，其所在的頻段頻帶越寬，通信容量也越大。由圖3可知，光載波頻率很高（約1014 數量級），比傳統電通信頻率高104倍以上，所以光纖通信的通信容量在理論上比以往的電通信容量大數萬倍以上，目前實際水平已經達到幾十倍。例如現在已大 量投入使用2.5Gb/s數字光纖通信系統，在一根光纖上可同時傳輸三萬多路電話，而以前電通信中容量最大的同軸電纜，通信容量僅同時傳輸一千多路電話。

　　儘管光波有著極大的帶寬，但在1961～1970年，人們主要研究利用大氣傳輸光信號，實踐證明，由於受到氣候環境的嚴重影響，無法實現正常的通信。 在人們考慮的其它傳輸介質中，用石英玻璃材料製成的光導纖維（即光纖）來傳輸光信號成為研究的重點。這是因為光線在光導纖維內部被全反射，從而使光波只在 光纖內部傳輸。但是當時普通石英玻璃材料的損耗高達1000dB/km，傳輸距離很有限。在1966年，英籍華裔科學家高錕博士指出：光纖的高損耗並不是 其本身固有的，而是由材料中所含的雜質引起的。如果降低材料中的雜質含量，可使得光纖的損耗降至20db/km，甚至更小。1970年，美國康寧 （Corning）玻璃有限公司成功地研製了損耗為20db/km的低損耗石英光纖，這使得光纖完全能勝任作為傳輸光波的傳輸媒介，也開闢了光纖通信的新 紀元。
　　與傳統電纜相比，光纖具有損耗小、傳輸距離長的優點。目前使用的石英光纖在0.8～1.8μm波長範圍內的損耗比所有傳統的電傳輸線低，尤其在光纖最 低損耗窗口的1.55μm處，光纖損耗可做到0.2db/km。由於光纖傳輸損耗低，所以其中繼距離達到幾十公里至上百公里，而傳統的電傳輸線中繼距離僅 為幾公里。

　　光纖具有抗干擾性好、保密性強、使用安全等特點。光纖是非金屬介質材料，具有很強的抗電磁干擾能力，這是傳統的電通信所無法比擬的。光信號束縛在光纖 芯子中傳輸，在芯子外很快衰減，這樣不會產生光纖間的串光現象，所以其保密性好且能保證同一光纜中不同光纖間光信號的傳輸質量。光纖具有抗高溫和耐腐蝕的 性能，因而可以抵禦惡劣的工作環境。

　　光纖的體積小、重量輕，便於敷設。光纖細如髮絲，其外直徑僅為125μm，加塑套後的外徑也小於1mm，再加上光纖材料比重小，因而製成光纜後，直徑 比電纜細，重量也輕很多。例如一根18芯的光纜每公里約重150kg,而18芯同軸電纜每公里約重11噸。經過表面涂敷的光纖具有很好的可撓性，便於敷 設，可架空、直埋或置入管道。

　　製作光纖的原材料豐富。石英光纖的主要成分是二氧化硅（SiO2），這是地球最主要的成分之一。而傳統通信電纜的主要材料為稀有金屬銅，其資源嚴重緊缺，這樣使用光纖作為傳輸媒介可以節省大量的越來越寶貴的金屬材料。

　　總之，利用光纖光纜線路代替傳統的金屬傳輸線路是必然的趨勢。而且隨著技術的進一步發展，光纖通信系統會朝著大容量、遠距離、全光化和超小型方向發展，將會在未來的信息社會中佔據越來越重要的位置。

多模光纖轉換器