光纤的尺寸

12光纖的尺寸頭髮的直徑：100～150μm光纖纖芯的直徑：7～10μm(單模)50～100μm(多模)光纖的大小：250～500μm灰塵粒子的直徑：20thou(＝500μm)(有的50～100μm)1thou＝25.4μm3光纖與頭髮之比較單膜光纖多膜光纖人的髮毛4光纖的歷史1970年代首條低衰減(17dB/km)由矽玻璃製造之光纖(約250mm)誕生並在實驗室中運作(corning公司)。1970中期，康寧製造出商用玻璃光纖絲及大量商用光纜；並交由電信公司測試。1980貝爾公司宣佈在美國東北佈上611英哩光纖，Saskatchewan也宣佈在加拿大佈3600km的光纖。1980Placid湖冬季奧運首用光纖傳輸電視節目。1840年代光可在光纖中傳播獲得證實(DanielColladon)。1952物理學家主導光纖發明的實驗。1965英國纜線公司發現光纖衰減量最大是內部雜質。5光纖的傳輸容量每條光纖至少可傳10Gbps每個電話傳輸約64kbps(每秒8000次取樣)每條光纖約可傳送150,000個單向電話典型光纜線每條約有200芯，即200條光纖10Gbps÷64kbps＝150000150000×200÷2＝15,000,000約一般纜線的1000倍6影像的傳輸(DVDPlayer)約一般纜線的1000倍影像格式畫質(pixels)資料量(30frames)傳輸率(壓縮20倍)檔案(byte)傳輸(bps)FullD1704x576720x480(345600)345600x3x30(31.104MB)1.0368MBx8x30(248.8Mbps)12.44MbpsVGA640x480(307200)307200x3x30(27.36MB)912KBx8x30(218.7Mbps)10.94MbpsCIF352x288320x240(76800)76800x3x30(6.9MB)230KBx8x30(55.2Mbps)2.76MbpsQCIF176x144160x120(19200)19200x3x30(1.728MB)57.6KBx8x30(13.5Mbps)0.675MbpsNTSC525x858525x858(450450)450450x2x30(27.03MB)900.9KBx8x30(216.2Mbps)10.81Mbps7光通訊種類光電轉換器數位調變輸入信號光設備光纖線數位輸出信號光電轉換器類比調變輸入信號光設備光纖線類比輸出信號光設備光電轉換器類比調變輸入信號光纖線類比輸出信號ADCDACcodedsignalforvoice&video8光通訊種類(續)光電轉換器數位調變輸入信號光設備光纖線數位輸出信號codedsignal光電轉換器數位調變輸入信號光設備光纖線數位輸出信號codedsignal9光纖傳輸系統要素終端設備的要素光纖的要素衰減長度頻寬光源波長色散等TX光源(頻率，強度等)RX光源(接收敏感度)光譜範圍10光纖的優缺點容量大尺寸與重量小無電磁干擾(EMI)長距離(超過100m網路)優點：絕緣(insulation)安全(security)可靠性與維護多樣性(FDDI、T3)缺點：需光電轉換器特殊安裝修理與維護1112光的物理特性•光有波動說及粒子說兩種特性。•光波動說－光屬於電磁波。•光在真空中的速度為3×108m/s。c＝λ×ν其中：C＝光在真空/介質中的速度λ＝光之波長(m)ν＝光的頻率(Hz)可見光的波長範圍：770×10-9m---330×10-9m亦即：770nm---330nm10-9m＝1nmnm叫做奈米實際值為299,792,458m/s13電磁波頻譜0Hz1KHz1MHz1GHz1THz1PHz1EHz1ZHzDC300Km300m300mm300μm300nm300pm300fmVLFLFAMshortwaveradioFMOpticfiberTVradiomicrowaveradioIR(850nm,1300nm,1550nm)Visiblelight(770nm--330nm)UVX-rayγ-ray光源使用波長850nm的LED，通常是不可見光；但某些LED則使用可見的紅外線。由於光纖是使用不可見光，因此除非確定未接上光源，否則不可直視光纖接端面或反射面(用鏡子等)。光纖使用的光源，最高頻率為～2×1014Hz，其可傳輸的資料率相當高，約達10×109bps(10Gbps)以上為光的波動說14光的能量以上為光的粒子說當光屬於粒子說時，光被叫作「光子」E＝h×ν＝h×c/λ其中：E－能量h－普朗克(Planck)常數功率PP＝E/th＝6.626×10-34j範例：光子波長為850nm，則其能量為何？E＝h×c/λ＝6.626×10-34jx3×108m/s/850×10-9m＝2.339×10-19j/s光的粒子說才易說明光的產生及光偵檢器如何將光轉成電能(電氣信號)15光的傳播真空或介質中，光是以直線的方向進行在透明或半透明介質中，光的速率比真空中低n＝c/v其中：C＝光在真空中的速度v＝光在介質中的速度n＝介質的折射率(無單位)其速率的比值稱為「折射率(refractiveindex)」(n)範例：一般玻璃的折射率為1.5，試問光在玻璃介質中的速率為何？v＝c/n＝3×108m/s÷1.5＝2×108m/s物質折射率物質折射率物質折射率空氣1.0003水1.33甘油1.47玻璃1.5-1.9甘油1.47酒精1.36石英晶1.54酒精1.36熔石英1.46鑽石2.42v＝phasevelocity；不同於vg＝group/signalvelocity16光的傳播(續)當光自第一個介質進行到第二個介質時，會在兩介質的邊界處改變方向與速率。且部分光線會在邊界彎曲(改變進行方向)進入第二個介質，這種現象稱為「折射」；部分光線則在邊界處返回第一個介質，這種現象稱為「反射」。玻璃空氣入射光反射光折射光ng＝n－λdndλvg：groupvelocityng＝c/vgλ：真空中的波長17光的反射與折射空氣水反射光直射光折射光太陽18光的反射與折射19光放大器(opticalamplifier)光放大器係指將入射光(不經轉換成電氣信號)放大的一種裝置Erbium(鉺)DopedFiberAmplifier(EDFA)20司乃耳定律(Snell’sLaw)n1n2θ1θ2n1×sin(θ1)＝n2×sin(θ2)sin(0°)＝0sin(90°)＝1當n1＞n2θ2＞θ1當n1＜n2θ1＞θ2例：光自水中到空氣中例：光自空氣到水中當n1＞n2且θ2＝90°θC＝θ1＝sin-1(n2/n1)θC叫做全反射之臨界角21光之全反射2223原子結構與電子「中性原子」的質子數目與電子數目是相等的。每一電子軌道具有不同的能階，電子只能存在於不同能階的軌道中，而不能存在能階與能階間。任何能階均有四個量子數(quantumnumber)來支配它。每一量子數代表電子的物理性質。1.主量子數n•代表電子的能量大小，軌域範圍或電子離原子核遠近，n可以為任何正整數1，2，3.......等。•n=1時最靠近原子核，能階最低的一層，稱為K層。n•n=2、3、4、5、6分別稱為L、M、N、O、P•各層所能容納的電子數目為2n2個。He24原子結構與電子(續)2.角動量量子數與電子軌道之形狀有關，可以為任何整數，0n－l(共n個)。角動量子數又稱為副層量子數角動量子數決定軌域之形狀或軌域之種類每一種不同能量的副層具有不同的形狀副層名稱分為s、p、d、f3.磁動量量子數m代表電子在空間的方位，或是電子被磁場影響的程度。磁動量量子數又稱為軌域量子數表示軌域方向或副層的軌域數m可以為任何－m之整數。m=0、±1、±2、±3……、±(共2+1個)有多少個m值就表示此副層有多少個軌域。25原子結構與電子(續)4.自旋量子數s表示電子自旋的方向，s可以為＋½或－½，依其為正旋或逆旋而定。․每一電子均有其個別的量子數，絕對沒有兩個電子的量子數完全相同。․每一電子均傾向於佔有最低能階，倘若較低能階有空，則在較高能階的電子將降至較低能階，而將兩能階的能量差以光的形式放出。元素原子序電子結構惰性氣體備註銅291s22s22p63s23p64s13d10【Ar】4s13d10Period4鋅301s22s22p63s23p64s13d10【Ar】4s23d10鋯401s22s22p63s23p64s23d104p65s24d2【Kr】5s24d2Period5鈮411s22s22p63s23p64s23d104p65s14d4【Kr】5s14d426光電效應的歷史1888年Hollwachs發現用紫外光照射鋅板而獲得1伏特的電位。1900年德國M.Planck首次提出光粒子性概念並於1918年獲頒諾貝爾物理獎。1902年德國P.Lenard研究光電效應而提出一些結論並於1905年獲頒諾貝爾物理獎。1905年愛因斯坦提出理論解釋光電效應並於1921年獲頒物理獎。1916年美國R.A.Millikan證實光電子的能量與被吸收光的頻率成正比，於1923年獲頒諾貝爾物理獎。27光電效應光兼具波動性和粒子性，所以又稱為光子(Photon)。光子與原子內層軌道電子作用時，完全被電子吸收。電子得到光子所有的能量後，克服束縛能而成為自由電子，特稱為光電子。光電子的動能為光子的能量克服束縛能後剩下來的能量，即Ekin=hν－Eb。光電子離開原子後，留下一空軌道，迅即為高能階電子填補，隨之放出χ射線。但倘若光子之能量小於電子之束縛能，則電子吸收光子的能量以後，仍不足以掙脫原子核的束縛，而僅能上升至較高階能階，是為激發。Ekin為光電子的動能(KineticEnergy)Eb為電子的束縛能(BindingEnergy)從入射光照射到光電子產生間的時間＜10-9秒28光電效應(1)對某一金屬而言，入射光須具最低頻率方有光電子產生。此最低頻率稱為「門檻頻率(thresholdfrequency)」光的波長需小於某一臨界值（相當於光的頻率高於某一臨界值）時方能發射電子，其臨界值為極限頻率和極限波長。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過10-9秒29光電效應(2)對某一金屬及入射光的頻率下，光電子產生率正比於入射光的強度。(光電子產生率非正比於光頻率)；光電子離開原子的動能與入射光強度無關，但與入射光的頻率有關。產生光電效應之光子能量多半較低，約在0.lMeV以下。光電效應多發生於內層電子軌道，外層電子軌道較少，自由電子幾乎不可能發生光電效應。一束電磁輻射（光子）通過物質時，由於若干光子與物質產生光電效應而消失，所以強度會隨行進距離的增加而降低。其強度衰減的公式：I=I0e-τX。I0=初始強度，(γ-ray/cm2sec)單位光子數/平方厘米-秒I=通過物質X厚度(cm)時之強度τ(tau)=衰減係數(cm-1)30光電效應的應用實例光偵測裝置，如光電二極體、光電倍增管、與電荷耦合元件(影像感應器)。光電能量轉換，如太陽能電池。光學影像轉換，如電荷耦合元件的影像感應器(用於手機、數位相機等)。信號轉換，如光電轉換器、GBIC等。31雷氏散射(Rayleighscattering)現象：光或電磁波與粒子發生碰撞而散射32雷氏散射的現象晴天：天空是藍色(粒子小且波長較短)3334雷氏散射(Rayleighscattering)•粒子大小應遠小於光波長(χ＝2πγ/λ1)•雷氏散射與光波長及粒子大小有關•散射光強度與光波長的四次方成反比•若粒子較大，則為MieTheory(任意大小粒子)I＝I01+COS2θ2R22πλ4n2－12n2＋2d2635雷氏散射(Rayleighscattering)•光纖的纖芯亦是物質組成(內含不純物)•光與物質的作用(散射－康普吞效應、光電效應等)