圖1-1 光導管訊號傳遞
| 南樺 電子報 201 | 出刊日期 | 2011.10.11 |
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| 光纖原理簡介： |
| 1-1 光纖通訊概說 一般通訊媒介可按其速度的不同劃分為三個頻寬，亦即窄頻傳輸（資料載輸速度介於 45 至 150 bps 之間，如電報及電傳打字之類的通訊即是。）、語言級傳輸（資料載輸速度介於 300 至 9600 bps 之間，如一般的電話線通訊）與寬頻傳輸（資料載輸速度 19200 bps 至 500000 bps 或以上），對於寬頻傳輸而言，其通訊媒介常用同軸電纜、光纖纜及微波等方式，而光纖在通信上的應用更是居於明日之星的地位，一根光纜中的其中一條光纖即可以取代一萬條以上的電話線，光纖實在是傳遞信號極其優良的工具，藉著如髮般纖細的光蕊，可以完成大量而且多重的通信工作。 |
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圖1-1 光導管訊號傳遞 |
| 人類很早就知道用光來傳送信號，而用電通信事實上不過百年來歷史，1870 年 John Tyndal 用水柱作為光介質的實驗， 也有人提出光導管的概念（圖1），是在鐵管內來傳送光訊號，考慮到光訊號散射的問題，因此每隔一段距離便在鐵管用一個透鏡把散開的光束再行集中以減少光訊號的散失衰減（如圖1所示）。1930 年開始有人嘗試採用玻璃纖維來傳送光。華裔科學家高錕博士於 1966 年提出光纖通信的理念，隨後美國康寧公司於 1970 年完成每公里傳輸信號之損失小於 20 dB 的光纖; 美國電報電話公司貝爾實驗室於1974 年發表化學氣相沉積法 (MCVD) 之光纖製 造技術，於是商用的光纖通訊系統乃於 1980 年開始小規模測試，三年後各國競相採用，為了迎接資訊時代的來臨，世界上各大電話公司都積極擴建光纖通訊網路，目前，光訊號的傳輸一般已改用光纖電纜的技術。至於光纖在有線電視網路上最常採用“混合式光纖同軸網路”(HFC－Hybrid Fiber Coaxial)，利用光纖從同軸電纜頭端傳輸高品質的訊號到光節點或分配中心。混合式光纖同軸網路結合了光纖及同軸的特性，在光節點上利用光數據機將光訊號轉換成電訊號，然後經短距離的同軸樹狀網路，分配給個別用戶；同軸網路同時也收集個別用戶的回傳訊號，回傳至頭端再將電訊號轉回成光訊號，利用雷射發訊機輸出。 |
| 1-2 光纖感測器概說 所謂的光纖感測器即是利用光纖來傳輸量測的信號，正常情況下光纖忠實的傳送量測信號，由於光纖特性容易受待測環境因素變化影響而有所改變，有時我們也可運用這個特點，以此調制光纖量測的信號。光纖感測器有如下的幾個優點： 1. 靈敏度高。 2. 不受電磁雜訊之干擾，信號傳輸迅速。 3. 體積小、重量輕、壽命長、價格低廉。 4. 適於特殊環境之工作。具有絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等優點。 5. 光學佈置之幾何形狀彈性大，可依環境要求調整。 光纖感測器信號的檢出有光強度型及相位干涉型兩種方式。光強度型其主要原理是利用幾何物理量的變化調制信號強弱，以用之於諸如壓力、應力、加速度、聲波、轉速、溫度、磁場、電壓、電場等等檢測領域。雖然靈敏度較相位干涉式低，但其結構及原理十分簡單，操作方便，並且可以採用較低廉的光纖為其優點。 |
| 1-3 光纖之構造與分類 光纖依其構造可分為（圖1-3） |
 圖1-3 光纖之構造 |
| 光纖依其折射率分佈情形與特性可分為（圖1-3）： 1. 階梯型折射率分佈之多模光纖：或稱梯射型光纖，其光纖核心與外殼之折射率呈突然階梯形之變化。階梯形多模光纖通常沿其中心軸平行前進的光線與彎曲前進的光纖到達時間會有差異，如圖 1-4，傳遞的信號經過長距離傳輸或有扭曲變形失真（distortion），也有信號拉寬的現象，波形的分散失真大，因此無法傳遞量測信號中相位的訊息。如果採用多模光纖作為光纖感測，那麼一般只是作亮度（振幅）方面的調制。多模光纖之直徑通常自 50 至 1000μ m 大小，價格便宜易於使用，唯其傳遞信號的頻寬較窄，無法擔任長距離傳輸工作。 階梯型折射率分佈之多模光纖之模態數 M 可由下式求得： |
 圖 1-4 階梯形多模光纖傳遞的信號經過長距離傳輸或有扭曲變形失真 |
 圖 1-5 光纖之損失原因 |
| 1-4 光纖通訊元件 光纖通訊裝置包含光電轉換的介面、光纖通訊發射端零組件、接收端元件、量測網路品質的光時域反射器(OTDR－Optical Time Domain Reflector)、光纖監視系統、光纖融接機與光纖切割器等等。光纖通訊零組件一般依運作型式可分兩大類：主動元件與被動元件。國內光纖通訊產業的一開始著重於製造光纜、光連接器、光預型體與抽絲，而慢慢步入主動元件如光收發模組與光纖放大器之領域。 |
 圖1-6 發光二極體的響應 |
 圖 1-7 發光二極體與光纖耦合 |
| 光纖之其他應用 |
| 1-9 光纖束導光照明 光纖除了通訊以外，也可應用在感測、照明、裝飾、號誌上，應用範圍非常廣，在感測與通訊方面屬於高科技的領域，而號誌、裝飾與照明則著重在民生用途，一般常以光纖束導光照明，光纖號誌、裝飾與照明方面，可用於建築照明裝飾、廣告效果應用、工業號誌用照明、水中照明裝飾、特殊景觀照明裝飾。其優點如下： 1. 具透光性，傳送損失小，端點發光不用通電，冷光不生熱，安全性佳。 2. 加工容易，耐久性佳免維修，耐候性佳、防水。 3. 可過濾紅外線及紫外線，護眼或保護被照明體。 4. 光源省電。 最直接也最能顯現光纖大量傳送光信號的例子為光纖顯像器(Fiber scope)，利用一束兩端端面整齊密集的光纖束，以傳輸影像，通常可在光纖束的一個端面加上物鏡，而另一端面加上目鏡，而形成可直接觀察微小物體的量測裝置。 |
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