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光纤简介
11-1 光纤原理简介
11-1-1 光纤通讯概说
一般通讯媒介可按其速度的不同划分为三个频宽,亦即窄频传输(数据载输速度介于45至150 bps之间,如电报及电传打字之类的通讯即是。)、语言级传输(数据载输速度介于300至9600 bps之间,如一般的电话线通讯)与宽频传输(数据载输速度19200 bps至500000 bps或以上),对于宽频传输而言,其通讯媒介常用同轴电缆、光纤缆及微波等方式,而光纤在通信上的应用更是居于明日之星的地位,一根光缆中的其中一条光纤即可以取代一万条以上的电话线,光纤实在是传递信号极其优良的工具,借着如发般纤细的光蕊,可以完成大量而且多重的通信工作。
图11-1-1 光导管讯号传递
人类很早就知道用光来传送信号,而用电通信事实上不过百年来历史,1870年John Tyndal用水柱作为光介质的实验, 也有人提出光导管的概念(图11-1-1),是在铁管内来传送光讯号,考虑到光讯号散射的问题,因此每隔一段距离便在铁管用一个透镜把散开的光束再行集中以减少光讯号的散失衰减(如图11-1-1所示)。1930年开始有人尝试采用玻璃纤维来传送光。华裔科学家高锟博士于 1966年提出光纤通信的理念,随后美国康宁公司于1970年完成每公里传输信号之损失小于 20 dB 的光纤; 美国电报电话公司贝尔实验室于1974年发表化学气相沉积法(MCVD)
之光纤制造技术,于是商用的光纤通讯系统乃于 1980 年开始小规模测试,三年后各国竞相采用,为了迎接信息时代的来临,世界上各大电话公司都积极扩建光纤通讯网路,目前,光讯号的传输一般已改用光纤电缆的技
术。光纤技术可应用在远距离、高多任务性的网络讯号或电信讯号。至此,光讯号的传送品质及可传送的有效距离之整体效能以大大提高。目前我国亦在长途电信通路铺设光纤,普及程度虽只限于主干线网络,但光纤的价格越来越低廉,光纤通讯零组件与施工的成本大为降低,所以未来全岛光纤化、光纤馈线网络(Fiber To The Feeder-FTTF),光纤至里邻(Fiber To The Neighborhood-FTTN)、光纤到大楼(Fiber To The Building-FTTB)、光纤到桌上(Fiber To The Desktop-FTTD)、光纤到家(FTTH-Fiber To The Home)、随选视讯,亦即将光纤直接铺设到每一个用户的家里,同时也是多媒体推广至用户的最佳方式,这将是一个可以预见到的,光纤传输的远景可以想象将是非常璀璨的。
至于光纤在有线电视网络上最常采用“混合式光纤同轴网络”(HFC-Hybrid Fiber Coaxial),利用光纤从同轴电缆头端传输高品质的讯号到光节点或分配中心。混合式光纤同轴网络结合了光纤及同轴的特性,在光节点上利用光调制解调器将光讯号转换成电讯号,然后经短距离的同轴树状网络,分配给个别用户;同轴网络同时也收集个别用户的回传讯号,回传至头端再将电讯号转回成光讯号,利用雷射发讯机输出。
11-1-2 光纤传感器概说
所谓的光纤传感器即是利用光纤来传输量测的信号,正常情况下光纤忠实的传送量测信号,由于光纤特性容易受待测环境因素变化影响而有所改变,有时我们也可运用这个特点,以此调制光纤量测的信号。光纤传感
器有如下的几个优点:
1. 灵敏度高。
2. 不受电磁噪声之干扰,信号传输迅速。
3. 体积小、重量轻、寿命长、价格低廉。
4. 适于特殊环境之工作。具有绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀等优点。 5. 光学布置之几何形状弹性大,可依环境要求调整。
光纤传感器信号的检出有光强度型及相位干涉型两种方式。光强度型其主要原理是利用几何物理量的变化调制信号强弱,以用之于诸如压力、应力、加速度、声波、转速、温度、磁场、电压、电场等等检测领域。虽然灵敏度较相位干涉式低,但其结构及原理十分简单,操作方便,并且可以采用较低廉的光纤为其优点。
11-1-3 光纤之构造与分类
光纤依其构造可分为(图11-1-3-1):
图11-1-3-1 光纤之构造
(Core) :
即光纤中传递光信号的部份,一般的光纤蕊心材料有石英玻璃与塑料(Plastic Optic Fiber-POF),塑料光纤的价格约石英光纤的十分之一,石英光纤的核心口径(core diameter)较小,石英单模光纤约5~12μm,石英多模光纤约50~150μm,而塑料光纤的核心口径约1000μm。
(Cladding) :即被覆在核心外围的部份,光线入射二不同介质时发生反射及折射现象,利用全反射,我们可很轻易的使用光纤来改变光的行进方向,且在过程中,光的损耗最小。为使光线能在核心中传