2016年8月31日

橫跨半世紀的有線傳輸媒介─光纖

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。


圖一(插圖:吳宛蓁)

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 Kao)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20 dB/km 的光導光纖,光功率經過1 公里光纖傳輸後,1970年初製造的光纖只殘留1% 的光功率,而1980年初製造的光纖已提升到仍存有98% 的光功率,近乎光功率最小損耗之理論極限,至今仍維持此一數值沒再進一步降低。

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。
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,藍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。

其中NA定義為



反之,如橘色入射光與軸心的夾角角度較大,在纖核/纖殼介面就不會產生全反射。而最外面乃是保護層(jacket)包覆在纖殼外,大多以樹脂或橡膠製成,目的在保護光纖。實際應用上通常將多條光纖合在一起再加一保護層在外面,即為光纜(類似多條電線形成電纜)。

圖二:光纖的結構圖。


圖三:光在光纖中傳輸示意圖


光纖通訊

光纖通訊是近30 多年來迅速崛起的通訊技術。光纖本身具有良好的傳導性,可以傳輸大量訊息,且相較於銅線,光纖具有線徑細、重量輕、可撓性佳、電磁屏蔽、安全、抗腐蝕性等優點,因此應用在通訊上,會比傳統銅線傳輸更具優勢。

構成基本的光纖通訊系統分別是光傳輸模組、光纖及光接收模組(圖四)。光傳輸模組可以是調變訊號加於雷射二極體或者光纖雷射。光傳輸模組內部的驅動電路將電信號轉變成光信號(把電信號的0 與1 轉變成光信號的亮與暗)。而雷射二極體皆需要連接電源供應及調變電路。1960 年代美國的梅門(Theodore Maimen)博士發明紅寶石雷射二極體當作傳輸光源,開啟光纖通訊發展的重要里程碑。光纖如前面所介紹是傳輸光信號的介質,光纜則是多根光纖束的集合。光接收模組是接收光信號後轉換回電信號。接收機的兩個組件為檢光器(photo detector)及輸出電路,檢光器將光信號轉換回電信號,再藉由輸出電路將電信號放大與整形,光纖通訊所使用的檢光器多為半導體材料做成。......【更詳細的內容請見科學月刊第561期】


圖四:構成基本的光纖通訊系統


沒有留言: