光纤模态计算

四、光纖資源豐富
光纖材料主要是二氧化矽玻璃，資料豐富。石英玻璃具有耐火、耐水、 壽命長等特性，而電纜材料主要是銅。
五、不受電磁干擾
光纖是絕緣體，不受電磁波干擾，且資料傳送時保密性佳。
5-4 光纖傳送基本定理
一、光折射率 (Refractive Index)
c 光折射率 n v
其中 c 為真空中光速 ( c 3 108 m / s ) v 為光在介質中行進速度 n 為材料折射率
1970 1972 1979
2.5 dB / k m
日本茨城通信研究所 光纖損失降為 0.2 dB / km ( 理論極限值 )
三、臺灣光纖通信系統
臺灣主要長途光纖通信系統包括西部第一幹線、中山高速公路東部 及離島四種光纜舖設系統。
北竿 東引
南竿
台馬
西莒
光纖
海纜
基隆 台北 桃園 新竹 蘇澳 花蓮 台中
中山高速公路光纖通信系統 西部第一幹線光纖通信系統
澎 金 光 纖 海 纜
澎湖 嘉義
東部光纖通信系統
台 澎 光 纖 海 纜
台南 高雄 台東
圖 5-3 臺灣主要長途光纖 通信系統示意圖 ( 資料來源：PIDA)
5-2 光纖通信系統應用
光纖用戶網路應用主要有下列兩類：第一類是電話服務，第二類是有線電視 (CATV)。
CATV網路架構是以光纜為主幹線，而在用戶迴路部份採用同軸纜線， 即「光纜 / 同軸纜線混合網路」HFC系統 (Hybrid Fiber/Coxial Cable)。典 型 750 MHz 的HFC 系統，除了可以提供上百個CATV節目頻道，還 可以提供電話、互動式影像電話、數據上網等服務。
5-3 光纖通信優點
人 名 梅 曼 (Maimen) Hall和Nathan 高錕 (C.K. Kao) 和 Hockham 康寧公司 (Corning) 貝爾實驗室 (Bell Lab)
重 要 事 件 紅寶石雷射 砷化鎵 (GaAs) 半導體雷射 發表論文：以石英玻 璃纖維作光通信介質 損失低於 20 dB / km 低損耗光纖研製成功 (20 dB / km ) 光纖損失降為 2.5 dB / k m
其中
1
1
2
ч 甮 絬
圖5-5 折射定律
情形Ⅰ：若 n1 n2 則 2 1
入射線
法 線
反射線
1
1
n1 材料 n2 材料
2
折 射 線
圖5-6 疏介質到密介質反射和折射現象
情形Ⅱ：若 n1 n2 且 1 c 則發生全反射 (total refletion)
法 線 入射線 n1 材料 n2 材料
90 i 9045 45
i r 45
5-5 光纖基本特性
一、光纖的結構
光纖是由高純度 (99.99999%) 石英 ( SiO 2 ) 抽絲而成的雙層圓柱體，其結構如下： 1.核心 (core)：核心直徑約 5 ~ 50 m，光訊號侷限在光纖核心內傳送。 2.外層 (cladding)：外層直徑約 125 m ，提供核心與外層的折射率差，允許光 在核心產生全反射。 3.披覆 (jacket)：材料是樹脂或矽橡膠，主要是增加機械強度。
二、反射 (Refelction) 定律
反射定律表示如下：
入射角 1 反射角 2
1 為入射角 ( 入射線與法線夾角 ) 2 為反射角 ( 反射線與法線夾角 )
法 線 入 射 線 反 射 線
其中
1
2
反射 面
圖5-4 反射定律
三、折射和司乃耳定律 (Refraction and Snell Law)
授課老師：張文俊
目 錄
5 6
光纖概論 光纖特性－色散與損失
7 8
9 10 11 12
光 源 光檢測器
被動元件
光纖通信技術調變 / 多工 / 解碼
光纖量測與製作技術
光纖應用
5
光纖概論
5-1 光纖通信系統發展近況
一、光纖通信系統基本結構
資料 輸入
傳輸 電路
光源
光纖
檢測器
接收 電路
資料 輸出
圖5-1
光纖通訊系統基本方塊圖
電話
電話
電腦
電→光 變換器 E/O
中繼器 光纖 O/E E/O 光纖
光→電 變換器 O/E
電腦
( 光信號 )
( 光信號 )
傳真機
電信號
電信號
傳真機
電視 ( 終端設備 )
電視 ( 終端設備 )
圖5-2 光通信系統之基本結構
二、光纖發展歷史
光纖和雷射的發展研究歷史，可由下列簡表得知：
年代 1960 1962 1966
折射定律 ( 或稱司乃耳定律 ) 表示如下：
n1 sin 1 n2 sin 2
n1 為介質 I 光折射率 n2 為介質 II 光折射率 1 為入射光角度 ( 入射線與法線夾角 )Leabharlann Baidu 2 為折射光角度 ( 折射線與法線夾角 )
法 線 甮 絬 n1 材料 n2 材料 は 甮 絬
披覆 外層 核心
圖5-8 光纖結構剖面圖
二、光折射率分佈 (Refractive Index Profile)
折射率隨著光纖中心徑向距離變化的函數稱為光纖的折射率剖面圖，光纖的 截面分成兩個區域：中心圓狀的「核心」( 0 R R) C 以及外圍環狀的「外層」 ( )。在步階折射率的光纖中，藉由核心－外層介面的全反射來傳 RC R RF n1)。 n2 播光的能量。因此，核心的折射率必須大於披覆層的折射率 (
1
折射線
2 90
圖5-7 全反射現象
全反射現象 n1 sin c n2 sin 90
臨界角 c sin 1
n2 n1
求出 Ө 角，使得反射光垂直入射光
反射面 反射線 入射線

解：
法線
反射光
r i
入射光

入射角反射角
i r
入射光垂直反射光 i r 90 得
一、電話系統 (Telephone System)
以光纖網路多工系統取代傳統用戶銅線迴路，提供更快速且更穩定的 通話品質。理論上，單模光纖在 13 . mm 波長約有10兆赫 . mm 及155 ( 10 THz ) 頻寬，故一根單模光纖可提供約2000個電視頻道或2億個電 話容量。
二、有線電視CATV系統 (Cable Television)
一、傳輸損耗小
. m 光纖傳輸，每公里 0.4 ~ 0.5 dB 損失 13 . m 光纖傳輸，每公里 0.2 ~ 0.25 dB 損失 15
二、通信容量大
光纖通信頻寬：1 ~ 20 GHz 同軸電纜頻寬： 330 ~ 550 MHz
三、光纜體積小、重量輕
光纜重量約為銅纜5%~10%，直徑小於銅纜20%。