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細如髮絲 光纖通訊 全反射應用
THE MERIT TIMES
文／簡麗賢
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圖／米各
圖／米各
文／簡麗賢你可以想像40年前的生活嗎？沒有手機，沒有網路，沒有電子郵件，沒有LINE，打越洋電話要等待，還要花大筆電話費，聯繫親友不方便，寄送稿件費時久。而今，有了網際網路，可以體現「海內存知己，天涯若比鄰」，這要歸功於光纖（optical fiber）通訊，奠定現代網路生活的發明。用全反射 傳遞光波光纖是什麼？光纖是細如髮絲的玻璃纖維，內有核心，外由覆層包住，核心的折射率較覆層大。當光射入核心後，因全反射，光線被限制在核心內部傳播，可減少光線能量耗損，維持光纖傳遞訊號的強度。 2009年諾貝爾物理獎頒給華裔科學家高錕，表彰他對近代光纖通訊的重大貢獻。高錕被譽為「光纖通訊之父」，利用光纖材料全反射的原理傳遞光波，並深入研究，獲得實質的成果，引導現代光纖廣泛運用在許多領域，醫療診斷病症的內視鏡和網路通訊，都是光波全反射的應用。什麼是全反射？光線從空氣射向透明玻璃，在介質交界面發生部分光線反射回空氣，部分光線折射進入玻璃。如果光線從玻璃射向空氣，當入射角度大於一特定角度時，折射光線會和反射光線重和，射回玻璃中，不會有折射光線射向空氣，只有反射光線回到玻璃，這種入射光線完全變成反射光線的情況，稱為光的全反射。光從折射率較大的玻璃射向折射率較小的空氣，只要入射角夠大，有機會全反射。由於光線在光纖材料內可發生全反射，因此光纖材料的中心由折射率較大的材料組成，其外側再以折射率較小的材料包覆，最後在這兩層材質外面，覆以保護層。光從光纖材料的一端射入，在管內壁經連續的全反射而由另一端射出。光線在光纖中心反覆全反射前進，在傳輸訊號的過程，能量幾乎耗損，因此光纖可以將訊號傳遞至遠方。低衰減率 降低耗損高錕在英國從事研究工作時，提高傳輸的頻寬一直是通訊領域的重要研究課題，當時衛星通訊和微波通訊是利用金屬的導波管傳遞訊息，但從通訊理論而言，光波才是一種更好的載波系統，可用來傳輸更寬頻的訊息。到了1960年，雷射光問世，高錕轉而投入光通訊研究，然而遇到不少困境。高錕思考，如果光能夠在一個沒有損耗的單薄膜玻璃波導中傳輸，應該是好方法，但當時沒有人知道導致光衰減的真正原因。經過3年尋尋覓覓，「衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴」，終於找到使光束能夠降低衰減，又能在降低雜質的玻璃介質中，傳輸較長距離的材料和技術，正式發表論文，指出最關鍵的方向「減少玻璃的雜質，提升玻璃的純淨度」，提供光纖作為通訊介質的可行性，1982年正式開啟光纖通訊的紀元。1998年，一條長達6千公里的海底光纖纜線橫越大西洋，連結美國與歐洲。時至今日，全球使用光纜總長已超過15億公里，地球早已天涯若比鄰。
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