光纖是什麼？

「光纖」就是能輸送光線的纖維。其實它與能輸送自來水的水管以及能輸送瓦斯的瓦斯管一樣，只是管子的粗細小了許多，管徑的大小大約只有萬分之一公尺，只比頭髮稍粗。「光纖」的主要功用就是傳輸「光波」，因為「光波」在空氣中傳送都是沿直線進行，很容易被障礙物阻擋，所以需要「光纖」來幫忙輪送。其實它的作用，與水管輸送自來水和瓦斯管輪送瓦斯的功能並無不同，只是「光纖」是根據「全反射」的原理來傳輸「光波」，而在「全反射」的狀況下，整條「光纖」就像一條周圍都是鏡子的管線，一旦光線進入這條管子，它再也跑不出來，只有乖乖地從進口的這一端乖乖地跑到出口的那一端，就完成了「光波」的傳輸。

其實，一旦「光波」進入「光纖」，或多或少的還是會從「光纖」內部漏出來，跑出來量的多少，跟「光纖」的品質有很大的關係。玻璃做的光纖，品質較好，價格較貴，漏出的光量較少；塑膠做的光纖，價格較低廉，但相對地漏光量也較大，這也是一分錢一分貨的道理。可是無論漏光量的大小，聰明的科學家與工程師們，都有因應的辦法：把「玻璃光纖」使用在需要傳真度較高的訊號傳輸，例如有線電視、光纖網路等應用上，而故意把漏光量大的塑膠光纖，應用到照明的用途上，像是把「塑膠光纖」環繞游泳池的周邊，不但達到省電照明的功效(比四周設置電燈要便宜)，而且還有藝術的效果。這種化腐朽為神奇、把缺點變成優點的作法，其實就是能深切體會到「尺有所量，寸有所短」這個道理。

他的這項發明僅能傳播約200公尺，因為藉由空氣傳遞的光束，遇到的情況都不盡相同，例如霧、雨或雪都能阻擋光線，甚至在乾燥而新鮮的空氣中，光線強度仍會隨距離迅速減弱。當時貝爾雖曾預測這項發明「在科學世界裏，將遠比電話、留聲機和麥克風更有趣」，但由於光線在空氣中的衰減速度很快，使得「光通訊」並非很實用。因此，有人也想到了利用物質傳導光。所以在西元1870年時，約翰道耳(John Tyndall)作了一個實驗，讓「光波」在由桶底流出的水柱中傳播，因為光為「電磁波」的一種，所以我們稱水柱那樣可以傳導光波的物質為「波導（waveguide）」。介質「波導」的理論則始於西元1910年，由Hondros及Debye首先提出。

「光纖傳輸」的優點包括了：1.低損失與寬頻帶；2.尺寸小及彎曲半徑小；3.不導電、不輻射、不感應；4.重量輕等等。低損失與寬頻帶所提供的大傳輸量使得飄（Gone With The Wind）整個電影只要1秒鐘即可傳送至家裏的電視；甚至一條「光纖」中一次可容納2萬4仟門電話同時通話傳送。貝爾實驗所發展的光導系統，可結合聲音、類比數據、數位數據、影像電話及各種視訊的服務，因此，這對資訊的傳輸產生了相當大的革命，這種傳輸方式將會是未來有線電視臺（第四臺）傳播視訊的主流。

光纖的結構為圓形且細如髮絲之玻璃纖維，主要分為兩部分，裏層稱「核心（Core）」，通常以玻璃做成；外層稱為「纖殼（Clad）」。因為「光纖」是屬於介質波導之一種，故只要條件許可，也可使用特殊的塑膠材料或液體材料。由於「光纖」的「核心」的直徑只有數個「微米」（百萬分之一米）至數十「微米」，而「纖殼」的直徑也僅在一百至兩百「微米」之間，其本身相當微弱。因此，在一般應用中，會於外層再鍍上一層塑膠，並再加一層尼龍，以免受到外界化學物質的侵蝕。若將幾條如上述一般之光纖維起來，就可形成所謂的「光纖電纜」了，或簡稱為「光纜」。

「光纖」依其「折射率」分布之不同，可分為兩種：一種是「級（階）射率光纖（Step Index Fiber）」；另一種為「斜（緩）射率光纖（Graded Index Fiber）」。又可依「傳播模態」的不同，分為兩「單模態光纖（Single-Mode Fiber）」及「多模態光纖（Multi-Mode Fiber）」。在此要強調一點，除「單模態光纖」之外，其它如「級射率」或「斜射率」光纖則都屬於「多模態光纖」。「級射率光纖」因其「核心」與「纖殼」之「折射率」變化劇烈，因此「核心」射向外殼之光束會在介面產生「全反射」；光則不停的依「全反射」之形式傳播，沿中心軸前進的光線和反射前進的光線到達終點的時間有差異。「單模態光纖」之「核心」其直徑非常細，因此只有平行中心軸的光線進入「核心」，故光線到達終點的時間一致。「斜射率光纖」，因其「核心」「折射率」之變化是緩和且連續，又因光在介質中之速度和「折射率」成反比，故原先偏離中心軸的光線，經過連續曲折後，依序會再回中心軸，最後到達終點的時間大約一致。

光纖（Optical fibre）
光線從末端進入光纖後，由於全反射（total internal reflection）的發生，光線可沿著光纖繼續前進，達到傳送訊息的功效。
光纖可分為兩類，第一類（Step index fibre）是由折射率（refractive index）高的核心（core），包裹在玻璃纖維外殼（cladding）內所製成的雙重構造物。內側的折射率大，而外側的折射率小，因此光纖折彎時，由於全反射（total internal reflection）的發生，光線沿著光纖繼續前進。這類光纖較幼，直徑約為125mm，適合短距離的訊息傳送，其折射率與光纖軸心的距離變化於下：

圖片參考：http://bwc.hkcampus.net/~bwc-phys/Web%20News/new_pa5.gif

第二類（Graded index fibre），可作長距離的訊息傳送，其折射率會隨著與光纖軸心的距離增加而減少，變化於下：

圖片參考：http://bwc.hkcampus.net/~bwc-phys/Web%20News/new_pa7.gif

光纖之原理淺說
　　從本世紀70年代初至今，尤其是近20年來，光纖通信迅猛發展，現已在長途幹線網中逐步取代同軸電纜、微波等而成為主要傳輸手段。可以預計，在不久的將來，光纖通信將進入用戶網，逐步取代用戶網中的音頻電纜，從而走進千家萬戶。所謂光纖通信，是指將要傳送的語音、圖像和數據信號等調制在光載波上，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。而光纖是迄今為止發現的最 適合傳導光的傳輸媒介，是光纖通信系統中不可缺少的組成部分。

光纖的導光原理

　　在解釋導光原理之前，我們必須先了解光纖的結構。光纖有不同的結構形式，目前實用的光纖絕大多數采用由"纖芯 "和"包層" 和兩個同心圓組成的結構形式。圖1示出了階躍型光纖的結構圖。光纖中心部分是纖芯，其折射率為n1、直徑為2a。纖芯的作用是傳導光波。纖芯以外的部分稱為包層，其折射率為n2, 直徑為2b包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。