光纖基本介紹

2.2.1 光纖結構

光纖的結構本身為圓柱長條的形狀，如圖 2-6，主要構造可分為纖 核(Core)、纖殼(Cladding)以及作為保護的塗抹層(Coating)等三部分，而 裡面的成分主要是由高含矽量的玻璃或多種成分的玻璃或塑膠組成，內 層為折射率( refractive index)較高的纖核(core)，外面則是披覆其折射率 較低的纖衣(cladding)；為了保護光纖不易受彎曲而折斷，會在外層在覆 以樹酯，加強光纖強度韌性(Coating)。其中纖核(Core)直徑依光纖的種 類不同約略5~75μm，而纖殼的範圍則在 100~200μm 間。事實上纖核和 纖殼為構成了整個光纖的基本要件，但是光纖往往要放置在惡劣的環境 中，所以一般除了在纖殼的外層塗佈上約為200~1000μm 不等的聚合物 (Polymer)材質塗佈層(Coating)作為保護外，最後再使用尼龍製成的外皮 包覆做成商品用的光纖。

2.2.2 光纖分類

光纖之種類非常多，可以依折射率之分佈、傳播模態、使用波長、

製作的材料、製造方式等不同可以分類為各種不同的形式，而一般我們 可以根據光纖傳播的模態數目、光纖內分佈的折射率形式以及光纖構成 的材質等三大方向將光纖加以分類。

一、 光纖依折射率分佈的情形分類可分為：

(1) 階梯式折射率分佈光纖(Step index fiber)

如圖2-7(a) 所示，當 core 和 cladding 的折射率分佈是呈階梯狀的 稱之，其缺點會因光入射角度的不同，使得接收訊號的時間有所差異，

容易造成色散的現象。

(2) 漸變式折射率分佈光纖(Graded index fiber)

如圖2-7(b)所示，當 core 和 cladding 的折射率分佈是呈漸變式的分 佈稱之，其優點是藉由漸變的折射率，來調整各個入射角度的光路徑，

以修正階梯光纖造成的色散現象。

二、 光纖依傳播模態數的分類可分為：

(1) 單模態光纖(Single mode fiber)

單模態光纖如圖2-8(a)所表示，其纖核直徑非常小約為 5 到 10μm 左右，而因此使得光纖纖核中僅容許一種傳播模式存在(基本模態或稱 LP01 mode)，其餘高階的傳播模式(如 LP11 mode)都會被截止(Cut-off) 而無法存在。單模態光纖的訊號單一、色散小且損失值低，適合作為高 品質、大容量且長距離的光通訊媒體。

(2) 多模態光纖(Multi-mode fiber)

多模態光纖如圖2-7(a)、2-7(b)以及 2-8(b)所示，其纖核直徑多為數 十微米以上，而因此除了基本模態之外光纖纖核中還容許其他高階的模 態(傳播模式)存在。相較於單模態光纖而言，多模態光纖可以容許多個 模態耦合進入光纖故對於導光和耦光的精確度要求較低，但由於模態間 色散(Dispersion)大且易互相幹擾僅被用於短距離的光通訊之用。

所以由上可知單模光纖沒有傳播的時間差，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，價格也較高。如海底電纜系統，

都是用單模光纖，而交換機之間的電話幹線或資料連線，則多採用多模 光纖，作為感測器而言，因為要求接收之光訊號無失真的問題，所以多 採用單模光纖為主。

三、 光纖依構成材料可分為：

(1) 玻璃光纖(Glass fiber)

由純化的二氧化矽(SiO2)添加二氧化鍺(GeO2)或氟(F)製作的石英 矽玻璃光纖以及摻鍺(Ge)、鈉(Na)、鎂(Mg)及鋰(Li)等成分的多成分玻璃 光纖是目前最佳的光波導材質，由於具有良好的機械性質、加工容易以 及優良的傳輸特性(如低損耗、頻帶寬極低損耗等)位目前應用最廣、使 用率最高的種類。

(2) 塑膠光纖(Plastic fiber)

塑膠光纖纖核的主要成分是是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製 成，其優點是價格低，對外界溫度改變相當穩定，缺點是技術尚未如玻 璃光纖那麼成熟，故傳遞損失較大，目前只適合作短距離傳輸的應用 (3) 其他新材質光纖

為了某些特殊之應用或是進一步改良光纖之特性，各種新材質的光 纖陸續的被發展出來，比如結合與玻璃塑膠材質所製作的光纖、以氟化 物玻璃所做的中紅外線光纖及以含鉻(Cr)離子摻雜之紅寶石為材質的光 纖等。

2.2.3 光纖傳輸損失

在光纖傳輸過程中，能量或多或少是會損失的，而造成能量損失的 主要原因，基本上有下列三種：

(1) 材料損失(Material loss)

光能量會被材料本身所吸收掉。

(2) 光散射 (Light scattering)

光能量被材料分子結構上之缺陷所散射，如圖2-9 所示。

(3) 波導及彎曲彎曲損失 (Waveguide and bending loss)

為光纖結構上之變形所造成，包括直徑之改變、局部之彎曲或整體之彎 (decibels dB)來表示，而其數學表示式如下

⎟⎠ 大約在 0.16dB/km。實際上，針對直線傳輸的光纖而言，最主要的衰耗 來自於雷射散射衰耗，但於工程應用上，需將光纖傳輸工作路徑的轉