如何透過光傳遞訊號？光通訊系統(一)

2023.05.08 NYCU, Taiwan

前言

傳遞訊號的方式有很多種，傳送的媒介也大不相同。而光纖通訊正是最具代表性的方式之一，利用全反射的特性，讓訊號在細如髮絲的光纖中高速傳送，讓我們可以順利地把訊息傳到目的地。本文將介紹全反射在光通訊當中的應用，並簡介光纜的構造以及光纖的優勢。

光的全反射

光在不同的介質當中有不同的速度，當我們把光從一個介質射入另外一個介質的話，光線會因為折射率不同產生偏折，n1 和 n2 為兩個介質的折射率，θ1和θ2分別為入射角以及折射角，若要發生全反射的話，需要使得θ1 <θ2，如圖(一)所示

圖(一)：光從n1射到n2

根據司乃耳定律(Snell’s Law)，入射角、折射角與介質的折射率有如式(一):

式(一)：司乃爾定律

折射率的定義是光在真空中的速度與光在該介質中的速度的比值，舉例而言，水的折射率為1.33，代表光在真空中的速度是光在水中的速度的1.33倍。換言之，介質的折射率越大，光在該介質中的速度就越慢。而當折射率n1>n2且光的入射角越來越大時，光線就有可能全部被反射回來，產生全反射，讓全反射剛好發生的入射角稱為臨界角，如圖(二)

圖(二)：隨著入射角越來越大，光全部反射回來

光纖的正中央是名為纖芯(Core)的結構，纖芯的外層包覆著一圈包層(Cladding)。纖芯和包層的折射率經過設計，能夠在光在纖芯當中透過全反射不斷前進(這代表纖芯的折射率大於包層的折射率)。在包層外會再加上一層保護層(Jacket)，用來保護脆弱的包層和纖芯。這個看似層層包裹的結構，實際上比人的頭髮還要細，如圖(三)

圖(三)：光在纖芯中透過全反射不斷前進

如上所述，光在光纖當中傳輸時都保留在纖芯中，不容易外洩，這就讓光訊號不容易被竊聽或攔截，保證了光纖傳輸的高安全性。相較之下，在空氣中傳播的無線訊號就比較容易遭到竊聽，沒有如此高的安全性。此外，無線訊號在傳輸的過程中容易碰到障礙物和其他因素干擾，導致訊號的穩定度也不如光纖，訊號的衰減也比光纖要多，這讓光纖很適合長距離傳輸。

我們平常看到的光纜就是由多根光纖加上保護結構組成，用來實現長距離的傳輸，例如鋪設在海床上，用來連接不同國家，構成四通八達的通訊網路。圖(四)取自 Hurricane Electric 的網頁，展示全球海底光纜的鋪設情形。

圖(四)：全球海底光纜的鋪設情形

光纖的分類

依照光纖的折射率變化，可以將光纖分為階躍折射率光纖 (Step-Index Fiber) 和漸變折射率光纖 (Graded-Index Fiber) 兩種。階躍折射率光纖的纖芯的折射率是固定的，因此從纖芯到包層的折射率變化就如同階梯式的變化。漸變折射率光纖的纖芯的折射率則是會變化的，在正中心的折射率最高，並隨著靠近包層而逐漸下降。這兩種光纖的折射率變化如圖(四)所示

圖(五)：階躍折射率光纖 (Step-Index Fiber) 和漸變折射率光纖 (Graded-Index Fiber)

當光纖內有多個傳輸路徑 (多個模態) 時，由於這些路徑的長短不同，導致這些模態抵達終點的時間差很大，比如圖(五)中走之字型的路線就會比直線抵達終點來得慢。這就導致差不多時間進入光纖的光在不同時間抵達終點，稱為模間色散 (Mode Dispersion)。

漸變折射率光纖則是由於在纖芯內的折射率不同，可以修正各個模態的速度，降低模間色散。雖然不同的路徑會造成不同的傳輸時間，但是折射率變化可以降低這些不同造成的時間延遲。比如說直線抵達終點就需要經過比較大的折射率，速度稍微變慢，而不斷反彈的光則會碰到比較小的折射率，速度稍微變快。因此，模間色散的現象沒那麼嚴重。

基於上述的光傳輸特性與模態數量的不同，光纖在實際應用上進一步被分類為單模光纖 (Single-Mode Fiber, SMF) 與多模光纖 (Multi-Mode Fiber, MMF)。單模光纖的纖芯設計得非常細，限制使得光纖裡面只能有一條傳輸路徑，因此不存在模間色散的問題。這種優勢使得單模光纖適合做為長距離傳輸。相對地，多模光纖的纖芯比較粗，允許光線以各種角度在纖芯當中傳輸，因此存在模間色散。多模光纖一般用於短距離傳輸，而且用成本比較低的光源。

結語

本文介紹了光纖基本的傳輸機制，以及常見的光纖分類，未來我們會在介紹光的接收、發射器以及光在光纖中的線性和非線性效應。

[embed]歡迎來到 Ac Studio！第一次來請先讀這篇 大家好！為了幫助各位讀者快速找到自己需要的內容，我們製作了這張知識地圖。如圖所示，目前我們的技術文章主要分為 8 個大類。希望這張地圖能幫助你快速上手，找到需要的資源。medium.com