光纖的原理

2.3.1 光纖簡介

對於光纖的研究，在早期1950 年針對醫學上常用的內視鏡所需柔性攝影管 開始，隨著1960 年代雷射光的誕生，光纖傳輸找到了理想的窄頻率和高功率光 源；華裔英籍科學家高錕(Charles K. Kao)博士於 1966 年發表介電波導管的光波 傳送的論文提出光纖通信的理念；1970 年，美國 Corning Glass 公司的唐納 (Donald)、羅伯特(Robert)及彼特(Peter)正式宣布製造出第一條損耗低於 20dB/Km

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的光纖；而後於1977 年，美國最大通訊公司 AT&T 開始採用光纖取代傳統的銅 導線做為中央資料交換機的傳輸線路，效果卓著。1986 年指數型砷化鎵雷射二 極體的發明，以及 1300nm 光纖衰減偵測器問世，使得光通信系統中的光纖長度 可達10Km，到了 1988 年第一條跨洋光纜鋪設成功。1990 年代中期，分波多工 及光放大功能的實際應用，使得 1550nm 波長範圍之信號可以在光纖系統中傳 輸。光纖所具有的高傳輸量、低功率損耗、較輕的質量與較小的截面積使得它 迅速取代了傳統的銅導線而成為通訊界的新寵，此外光纖具有抗電磁波干擾、

高強度與不易被竊聽等等的優點，材料製造成本因為量產而逐漸降低，已被工 商各界大量採用(Sterling，1993；Downing，2005)。

光纖主要是由二氧化矽(SiO₂)這種玻璃材質抽絲合成的光傳輸媒介，並藉由 光波來傳送使用者所需的訊息。光纖之結構為圓柱狀如圖 2. 1，光纖的內層為折 射 率 較 高 之 核 心(Core) 所 構 成 ， 核 心 外 面 再 包 著 一 層 折 射 率 較 低 之 被 覆 (Cladding)，當光線進入光纖時，光會藉由全反射在光纖核心中傳播，其最大的 優點就是能將光能量的損失降到最低；最外面一層稱為保護層(Coating)，會覆以 樹脂，功用在於保護核心與被覆層，與光的傳播無關(Ghatak，1998；Chen＆

Palais，2004)。

一般所使用之單模(single mode)玻璃光纖核心直徑約在 100 至 125μm 之間，

楊氏模數介於65~85GPa 之間(Pigeon et al.，1992；Antunes et al.，2008)，具有 許多優點：低傳輸損耗、經濟性優異、不受電磁干擾、無須電迴路、耐環境性

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優異、體積小、重量輕、可與電子裝置相容，目前已廣泛應用於通訊、軍事、

醫學上，還有各種機密儀器與感測器的製作，也正積極發展中。

2.3.2 光纖傳輸原理

光在同一均質介質中是直線前進的，當遇到不同的介質時，除了部分光線 被反射回到原來介質，根據史涅爾定律(Snell’s law)而部分光線則以另一角度 折射進入新的介質當中，其公式為： 來介質當中，此稱為內全反射(Internal Total Reflection)。光在光纖內傳播，即是 全反射現象，而局限在光纖內前進。

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2.3.3 光纖種類

依照模數的多寡與折射率的分佈，大致可以把光纖分類成下列三種。其中 步階式指核心與外層的折射率呈階梯式的變化，而漸進式指折射率從核心到外 層逐漸縮小的分佈(簡旭君，2003；張國鎮等人，2004；Downing，2005)。 1. 多模步階式光纖(Multi-mode Step Index Fiber)

核心約為50μm，有許多傳播模態，不同的模態的光延著不同的路徑前進，

光所走的長度不同，因此到達接收端之時間也會不同，會產生嚴重的色散 (Dispersion)現象。

2. 多模漸進式光纖(Multi-mode Graded- Index Fiber)

為了改善多模光纖的色散現象，將折射率按照平方分佈變低，光以蛇行的 方式進行。光行進的速度與介質的折射率成反比，因此當光線通過折射率低的 部分時，速度會加快，各模態的軸方向傳播速度約相等，而模態總數也大約為 多模步階式光纖的一半而已，大大改善了色散現象。

3. 單模步階式光纖(Single-mode Step Index Fiber)

核心約為10μm，使能量要集中在一個模態之內，要將核心的半徑或折射率 差減至很小，入射光也必須要以幾近垂直的角度入射才行。單模光纖無傳播時 間差，頻寬因此變的相當廣，其資料傳輸速率(data rate)與衰減現象(attenuation) 表現都是最好的。但單模光纖的核心小，耦合光線的難度較高，價格也較貴。

海底電纜系統用單模光纖，而電話幹線或資料連線則採用多模光纖。作為光纖

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1. 材料吸收損失(material absorption losses)

材料吸收損失又分成本質吸收及介入雜質的吸收；本質吸收在紫外線光域 是因光激發電子轉態而吸收光能量，在紅外線光域則因材料分子震動而吸收光

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能量。

2. 散射損失(scattering losses )

光纖製造過程不均勻而導致光纖之幾何特性不夠理想，主要分雷利散射 (Rayleigh scattering)及麥氏散射(Mie scattering)，雷利散射是光纖製造時需經歷加 熱、冷卻的過程，但在冷卻、結晶過程中，分子的排列不均勻，造成折射率的 微小變動，這種現象是無可避免的，而這些布均勻的組織會造成光的散射，其 損失與光波長的四次方成反比。麥氏散射是因為光纖為圓柱型介質波導，若其 結構不均勻，如核心與外殼的介面不規則，核心與外殼的折射率差的變動，核 心直徑的變動、受應力、核心內之氣泡等，則會造成麥式散射。

3. 彎曲損失(bending loss)：

當光纖彎曲時，將會引起光損耗，可分為下列兩種原因：

(1) 巨觀彎曲(macroscopic bending)

巨觀彎曲表示大尺度的彎折，通常是故意的行為造成。光在光纖內傳輸是 靠全反射現象，把光信號局限在核心內，也就是光入射角必須大於全反射所需 的臨界角；當光纖彎曲時造成部分光入射角小於臨界角，光線將穿出核心進入 外殼，造成核心處的光損耗，如圖2. 2。實際例子中，125μm 的直徑之光纖可被 彎成小於25mm，其功率損耗仍可忽略。

(2) 微觀彎曲(microscopic bending)

微觀彎曲會在光纖中隨機出現，光纖外有一覆蓋層保護，這些保護層多少

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會帶來不均衡壓力失於光纖，而使得光纖產生些微的彎曲現象，於是帶來光損 耗，這是因為微彎曲會造成光的散射而射出光纖，如圖2. 3。

2.3.5 光纖感測器之種類

光纖感測技術最先應用於航太飛行器，以全程監視零組件狀況及機體結構 完整性。例如：將能夠傳導光的纖維埋入複合材料中，一旦材料開始出現裂紋，

光纖受拉力而斷裂，使原本固定傳送至感應器的光電訊號為之中斷，因有預警 而採行必要措施。最近研究顯示，光纖經過事前處理，如調變光之傳送強度、

相位及頻率，使其在感測機構中能更迅速地測出材料之機械性及化學性的變 化，並提供結構損傷的即時狀況。光纖感測器的優點主要有下列幾項(Sterling， 1993；張安華，2005)：

(1) 不受電磁、電場、雷電、溫度等干擾。

(2) 傳輸損耗低，光纖的最低損耗已達0.2dB/km，因此很適合做長距離的傳輸。

(3) 體積小、重量輕。

(4) 長期使用準確性佳，光纖感測器利用波長或頻率檢測來獲取資訊，不會產生 傳統感測器利用偵測電阻變化，因電阻隨時間而產生之改變而導致之數值量 測誤差。

(5) 高靈敏度，光纖感測器量測精度在靜態下，而一般傳統感測器由於電子雜訊 干擾，其靈敏度常被限制。

(6) 抵抗環境能力佳，光纖非金屬製成，無生鏽之困擾。此外光纖感測器可以與

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現有的龐大光通訊市場之儀器及元件整合，形成監測網路，因此近年來國外 研究指出已運用於土木工程各個領域，包括橋梁、隧道、水壩及古蹟建築物 監測上。

1.以感測元件分類

(1) 本質式（Intrinsic）光纖感測器

這系統中，光纖本身扮演感測器角色，當被感測物體受外在環境的改變時，

將調變光纖中光波的傳導模式，而光的傳導模式改變主要是外在的因素擾動而 改變光纖的長度、折射率、偏極面所致。光纖作為主要的感測元件，其要求較 高，通常以單模光纖為主。

(2) 非本質式（Extrinsic optical fiber）光纖感測器

在這系統中，光纖只負責傳遞訊號的工作，即感測元件間傳輸的介質，因 此在感測過程中必須要有其他的感測元件配合。

2.以解調方式分類

(1) 相位（Phase）調變

運用光傳輸路徑長度上的改變來解調。通常需要一個調變訊號跟一個與外 在環境改變隔離的參考訊號做比較，當同調的兩道光重合時，光波長的相位分 佈會影響其干涉現象，由調變光波間的相對性相位差，將可作干涉性的量測。

相位調變之感測器可以有極高的靈敏度以及動態量測範圍。但是當監測儀器在 沒有啟動的狀態下，相位變化的過程便無法被紀錄下來，因此不容易做到直接

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量測。

(2) 光強度（Intensity）調變

運用光的吸收、放射損失、散射、及發光特性。通常系統架構最為簡單，

且光強度調變之感測器可以得到絕對的量測。但由於需要外接光源，光強度可 能會有擾動，其靈敏度會受到限制。

(3) 波長（Wavelength）調變

運用光波長的飄移來解調。處理過後的光纖感測器暴露在感測環境下，可 以由光譜之改變來獲得物理量變化。波長調變之感測器不僅有相位調變感測器 之優點，而且只要儀器一啟動光波長可以直接被讀取，因此可以做到直接量測(簡 旭君，2003；張國鎮等人，2004；Chen＆Palais，2004)。