篇名：
世界之「光」
作者：
高逢駿。台北市立陽明高中。高二０９班 顏少軒。台北市立陽明高中。高二１０班 康晉瑋。台北市立陽明高中。高二１２班
指導老師：
王一哲老師
壹●前言
一、研究動機
隨著通訊科技的進步，人們對於資訊傳遞的速度也越來越要求，光纖也漸漸 的應用於通訊傳輸上，比如說中華電信的光世代，而之前參觀花卉博覽會時，看 到它展出一個自然光導引系統，也是有用到光纖，我們便想進一步的去研究光纖。
二、研究方法
針對光纖的應用原理、材質、應用範圍，參考圖書館的書籍及網路的資料，
做為本文的資料來源，並從長度、角度、粗細、粗糙表面來進行實驗，觀察其對 光纖傳導的影響。
三、研究目的
（一）目的一：了解光纖的應用原理。
（二）目的二：了解光纖的種類及應用範圍。
（三）目的三：觀察長度對光纖傳輸比例的影響。
（四）目的四：觀察彎曲角度對光纖傳導的影響。
（五）目的五：觀察不同直徑對光纖傳導的影響。
（六）目的六：觀察粗糙表面對光纖傳導的影響。
表（一）控制變因及操縱變因
彎曲角度 光纖長度 光纖直徑 表面粗糙程度
控制變因 ● ● ●
目的三
操縱變因 ●
控制變因 ● ● ●
目的四
操縱變因 ●
控制變因 ● ● ●
目的五
操縱變因 ●
控制變因 ● ● ● 目的六
操縱變因 ●
四、研究器材，如表（二）、圖（一）所示
表（二）研究器材
項次 名稱 數量
１ 氦氖雷射 １
２ 光度計 １
３ 光纖原理說明器 １
４ 量角器 １
５ 光纖（直徑 0.75mm、1.0mm） ３６
６ 瑞士刀 １
７ 橡皮擦 １
８ Ｄigital-camera １
９ 砂紙 １
圖（一）器材組裝
貳●正文
一、了解光纖的應用原理
（一）全反射現象
如圖（二）所示，當光由折射率較大之介質入射於折射率較小之介質時，如 果入射角小於某一值時即發生完全反射的現象。注（一）
圖（二）光線在兩個不同折射率物質之介面的傳送情形
（資料來源：趙涵捷（2000 年）。光纖之旅光纖之旅光纖之旅光纖之旅（初版）。台北市：台灣書店。）
（二）光纖傳輸原理
如圖（三）及圖（四）所示，光線在光纖內的傳播原理，是利用光的全反射 現象。注（二）
圖（三）光纖傳播原理 圖（四）用壓克力模型研究光纖傳播 原理
二、了解光纖的種類及應用範圍
（一）光纖的種類
可依傳導模態、核芯折射分佈及構造材料等三大方向來加以分類。注（三）
１、依傳導模態可分為
（１）單模態光纖
如圖（五）所示，幾何幾結構為核芯直徑約為 8～10 微米，外殼直徑約為 125 微米，其色散值相當低，適合做為大容量且長距離的光通訊媒介。
圖（五）單模態光纖之斷面結構圖
（資料來源：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）光纖原理與應用 。台北市：全華。）
（２）多模態光纖
如圖（六）所示，幾何幾結構為核芯直徑約為 50～62.5 微米，外殼直徑 約為 125 微米，其色散較為嚴重，僅是適合作為短距離區域網路的光通訊媒介。
圖（六）多模態光纖之斷面結構圖
（資料來源：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）。台北市：全華。）
２、依核芯折射分佈可分為
（１）階變折射率分佈光纖
如圖（七）所示，核芯及外殼的折射率均勻分布，早期所設計之光纖均屬 於此種折射率分佈之光纖。
圖（七）階變型光纖結構圖
（資料來源：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）。台北市：全華。）
（２）緩變折射率分佈光纖
如圖（八）所示，折射率由中心向外逐漸遞減，而外殼的折射率呈均勻分 佈，為改善階變型多模態光纖的色散問題，所以將多模態光纖核心之折射率，
設計成緩變的拋物線型。
圖（八）緩變型光纖結構圖
（資料來源：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）。台北市：全華。）
３、依構造材料可分為
（１）石英係玻璃光纖
是目前最佳的光波導，其具有頻帶寬、低損失、極低色散…等優點，非常 適合於高容量，高品質且長距離的通訊系統。
（２）多成分玻璃光纖
主要成分以二氧化矽為主，在摻雜鍺、鈉、鈣、鎂及鋰等成分所組合而成，
其適合用來製造特殊用途的多模態光纖，由於孔徑較大，其光源一般均採用發 光二極體。
（３）塑膠光纖：
核芯成分主要以聚甲基丙烯甲酯或重氫化聚甲基丙烯甲酯為主，外殼成分 主要以氟聚合物為主。塑膠光纖雖具低成本且高可撓性，但高損失卻是其重要 的缺點，因此不適合做為長距離的光通訊媒介。
（二）光纖的應用範圍：光纖之應用基本上分為通訊及感測兩方面。
注（四）
１、通訊方面之應用：
（１）聲音傳輸媒介應用：電話用戶之通話線路、公共電話之通話線路…等。
（２）數據傳輸媒介應用：電腦網路系統、衛星地面台系統、船艦上之指揮、
控制鏈路系統…等。
（３）影像傳輸媒介應用：影像通訊系統、光纖導引飛彈系統、各種工業監視系 統…等。
２、感測方面之應用：光纖感測器可以廣泛地應用於軍事、醫療及各項工業上。
（１）軍事方面之應用：光纖陀螺儀、潛水微音器、戰機外殼的精靈蒙皮。
（２）醫療方面之應用：內視鏡、血液流連感測器、血壓感測器。
（３）各項工業方面之應用：電壓感測器、磁場感測器、溫度感測器…等
３、導引自然光之應用：
如圖（九）、圖（十）所示，由台灣科技大學所研發的壓克力光磚照明系統，
能透過光學折射原理採集陽光，經光纖傳導，就能將戶外光源轉移給室內照明使 用，環保節能的設計巧思，獲台北花博未來館採用。注（五）
圖（九）自然光導引系統
圖（十）自然光導引系統
（資料來源：http://www.ntust.edu.tw/files/14-1000-341,r11-1.php）
三、觀察長度對光纖傳輸比例的影響，如表（三）、圖（十一）所示。
表（三）長度與光纖傳輸比例的比較 長度 未接光纖
0ｃｍ
18ｃｍ 21ｃｍ 24ｃｍ 27ｃｍ 30ｃｍ
照度 700Ｌｕｘ 352Ｌｕｘ 444Ｌｕｘ 559Ｌｕｘ 548Ｌｕｘ 371Ｌｕｘ 耗損率 0 50％ 37％ 20％ 22％ 47％
0 10 20 30 40 50 60
0 18 21 24 27 30 cm
百分比
光纖直徑 1.0mm
圖（十一）長度與光纖傳輸比例的比較
四、觀察彎曲角度對光纖傳導的影響，如表（四）、圖（十二）所示。
表（四）彎曲角度對光纖傳導的影響
角度 60° 90° 120° 150° 180°
照度 227Ｌｕｘ 239Ｌｕｘ 304Ｌｕｘ 316Ｌｕｘ 466Ｌｕｘ
0 100 200 300 400 500
60 90 120 150 180 角度
Lux 光纖直徑
1.0mm
圖（十二）彎曲角度對光纖傳導的影響
五、觀察不同直徑對光纖傳導的影響，如表（五）、圖（十三）所示。
表（五）不同直徑對光纖傳導的影響
18ｃｍ 21ｃｍ 24ｃｍ 27ｃｍ 30ｃｍ 光纖直徑
1.0mm
352Ｌｕｘ 444Ｌｕｘ 559Ｌｕｘ 548Ｌｕｘ 371Ｌｕｘ
光纖直徑 0.75mm
496Ｌｕｘ 394Ｌｕｘ 289Ｌｕｘ 273Ｌｕｘ 260Ｌｕｘ
0 100 200 300 400 500 600
18 21 24 27 30 cm
Lux
光纖直徑 1.0mm 光纖直徑 0.75mm
圖（十三）不同直徑對光纖傳導的影響
六、觀察粗糙表面對光纖傳導的影響，如表（六）所示。
表（六）（光纖直徑：0.75mm）
數據一 數據二 數據三 數據四 數據五 平均值 表面未磨 140Ｌｕｘ 200Ｌｕｘ 217Ｌｕｘ 195Ｌｕｘ 196Ｌｕｘ 202Ｌｕｘ 表面已磨 3Ｌｕｘ 4Ｌｕｘ 5Ｌｕｘ 5Ｌｕｘ 4Ｌｕｘ 5Ｌｕｘ
參●結論
一、在直徑及長度相同的情況下，彎曲的角度越大，單位面積所得到的光量越 少，也就是光所發散掉的量越多。
如表（六）、圖（十四）所示，因光纖彎曲時，其中心軸不在同一直線上，
當傳播模態光在核芯與覆層的界面處產生全反射時，會造成部分光束的入 射角小於臨界角，而無法滿足全反射的條件，使得部分傳播模態光折射入 覆層中，造成光功率的損失。注（六）
圖（十四）彎曲所造成的損失
（資料來源：吳耀東（1994 年）。212121 世紀光電科技的主流21世紀光電科技的主流世紀光電科技的主流世紀光電科技的主流－－－－光纖通訊系統原光纖通訊系統原光纖通訊系統原光纖通訊系統原
理與應用理與應用理與應用理與應用（初版）。台北市：全欣資訊。）
二、在長度及彎曲角度相同的情況下，直徑較長的光纖，單位面積所得到的光量 較多。
三、從長度對光纖傳輸比例的影響之實驗中，我們發現光纖的截面愈不平整，如 圖（十五）所示，單位面積所得到的光量越少，也就是說光所發散掉的量越
多。如圖（十一）所示。
圖（十四）光纖截面之平整狀況
四、從長度對光纖傳輸比例的影響之實驗中，我們發現光纖的長度越長，光在傳 遞時的耗損程度越大，但其截面是否平整也會影響其結果。
五、從粗糙表面對光纖傳導的影響之實驗中，我們發現表面磨過變得較為粗糙的 光纖，光在傳遞過程中發散掉的量較多。如圖（十五）、圖（十六）所示。
圖（十五）光纖表面粗糙狀況 圖（十六）光發散之狀況
肆●引注資料
一、注（一）：趙涵捷（2000 年）。光纖之旅光纖之旅光纖之旅（初版）光纖之旅 。台北市：台灣書店。
二、注（二）：趙涵捷（2000 年）。光纖之旅光纖之旅光纖之旅（初版）光纖之旅 。台北市：台灣書店。
三、注（三）：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）光纖原理與應用 。台北市：全華。
四、注（四）：吳曜東（1996 年）。光纖原理與應用光纖原理與應用光纖原理與應用（初版）光纖原理與應用 。台北市：全華。
五、注（五）：台灣科技大學。（2011 年 2 月 28 日。）
http://www.ntust.edu.tw/files/14-1000-341,r11-1.php
六、注（六）：吳耀東（1994 年）。212121 世紀光電科技的主流21世紀光電科技的主流世紀光電科技的主流世紀光電科技的主流－－－－光纖通訊系統原光纖通訊系統原光纖通訊系統原光纖通訊系統原
理與應用理與應用理與應用理與應用（初版）。台北市：全欣資訊。
