光纖應用解析／古砂傳捷音 窺看光纖通訊
【聯合報╱記者李承宇】
2010/01/18

「我不相信未來一千年內會有更好的系統能取代光纖，」「但是千萬不要相信我的話，就像我當年不相信專家的話一樣。」—高錕（2009年諾貝爾物理獎得主）
去年諾貝爾物理獎頒給華人科學家高錕，表彰他將光纖應用於通訊的理論，對人類生活產生重大影響。上個月初，高錕的夫人黃美芸代患有輕度失智症的高錕在斯德哥爾摩發表演講，講題是「古砂傳捷音」（Sand from centuries past; Send future voices fast ），短短幾個字，傳神地描述光纖的特性。
用光來傳遞訊息，聽起來很炫。在日常生活中，我們早已很熟悉用微波、無線電波來傳遞訊息，像是手機、收音機；而「光」，只是另一種波長的無線電波，同樣具有傳遞訊息的功能。
銅製導線 不安全易被竊聽
用光來傳遞訊息有兩個關鍵：要用什麼光？要用什麼當傳遞光的介質？在光纖發明之前，有線通訊用的傳輸介質主要是用純銅製成導線。台灣大學光電所所長黃升龍說，銅導線的傳輸容量有限、傳輸的損耗不低，而且安全性不佳，容易被竊聽。銅導線傳遞電流，磁場會透到導線外面，只要在導線外面放上線圈就很容易竊聽。
1966年，高錕發表論文「光頻率介質纖維表面波導」，提出用二氧化矽做成純度很高的玻璃纖維來進行長距離通訊的概念，開啟了光纖通訊的世代。二氧化矽就是常在海邊看到的砂礫，由於地球上蘊藏量大，所以製作光纖的原料很便宜。
光纖原料 就是便宜砂礫
黃升龍表示，相較於銅導線，光纖的優點之一是傳輸損耗低。一般銅導線每傳1公里就會有20分貝耗損，所以中途必須設很多中繼站隨時放大、恢復訊號強度，這個缺點不利於像從台灣到美國的遠距傳輸；但若用光纖傳輸，損耗只有銅導線的百分之一，也就是每公里只會損失0.2分貝。
但是光纖並不是一開始就達到這樣好的效果。台灣科技大學光電中心主任廖顯奎多年致力於光纖技術的開發應用，他表示，高錕一開始只希望利用光纖傳輸1公里，能保留住百分之一就很滿足了。
分波多工 頻寬放大百倍
廖顯奎說，光纖選用的光源從第一代的約0.8微米波長，到第二代1.3微米，到最佳的1.55微米。波長1.3微米到1.6微米左右的範圍都適用於通訊，但是根據研究，波長1.55微米的近紅外光，傳輸耗損可減到最低。黃升龍指出，在大約1.4微米波長，光波會因水氣的吸收而造成損耗，1988年美國麻省理工學院改進製程已克服該缺點。
光纖的發展無非是希望在有限的頻寬內增加效率，1996年發展出的「分波多工」技術，是繼高錕提出光纖通訊理論後的另一個里程碑。廖顯奎解釋，分波多工技術是在一條光纖內容納不只一個波段，好處是可以節省成本並提升光纖的頻寬。目前可以做到一條光纖中分出8到16個波段，以後可能可以分出上千個波段。



光纖應用解析／橋歪了、土石流 監測好幫手
【聯合報╱記者李承宇】
2010/01/18

橋歪了、土石流 監測好幫手

光纖不只可以用於通訊領域，醫療內視鏡、戰鬥機的陀螺儀，甚至橋樑、土石流、瓦斯漏氣等監測，光纖都是很好的工具。
19世紀有醫師透過光和反射鏡來觀察人體內部，是內視鏡的濫觴。它的原理是把光線導入體內照亮要觀察的人體部位。早期是將小燈泡放在內視鏡前端，20世紀中，導光性好、可以彎曲的玻璃纖維出現，內視鏡就可以透過光纖，將體外光源的光線傳進體內，同時也可利用光纖把體內的影像傳出來。
台灣科技大學光電中心主任廖顯奎更指出，透過光纖的反射量、張力等資料，也可以用來監測橋樑安全和土石流狀況。當橋樑建好時，沿著橋墩鋪設光纖，隨時記錄光纖的反射量，如果橋樑彎曲變形，原本拉直的光纖也會變形，反射量會變差，如果達到需要維修的程度，工程人員可以馬上察覺進行維修。
廖顯奎說，把光纖埋在土中，如果有土石流的情況，光纖會稍微被拉開，張力改變；而如果用打光反射來觀察光纖張力的變化，可以監測土石流的狀況。
預防瓦斯漏氣也可用光纖。在瓦斯開口處兩邊拉上光纖，讓紅光從瓦斯開口處通過，若瓦斯從開口處漏氣，氣體分子會大量吸收紅光，通過光纖的紅光功率會因此而變小，儀器就可以察覺瓦斯正在漏氣。

減耗損增光訊 放大器摻鉺、鉻

雖然光纖通訊的損耗率只有每公里0.2分貝，但是每30、40公里還是要設置一座光放大器。台灣大學光電所所長黃升龍指出，早期光放大器的原理是將衰減的「光」訊號轉換成「電」訊號，經過增強後再轉換成光繼續傳遞。但現在的光放大器都是用「摻鉺光纖放大器」。
鉺（Er）是一種稀土元素，摻鉺光纖放大器主要用於傳遞1.55微米波長的光纖上。衰弱的光訊號進入放大器，進入摻了鉺的光纖；同時會有另一條泵浦光纖提供能量來讓光的訊號增強。根據愛因斯坦的激發輻射原理，泵浦光纖會讓光子打進來激發電子從高能階掉到低能階後放出光子。此時放大器中就會同時有兩個相位、頻率一樣的光子出來，光的訊號因此增強。
通訊頻寬需求愈來愈大，除了分波多工技術外，科學界也將腦筋動到光放大器上。黃升龍說，摻鉺光纖主要適用於波長1.55微米範圍的頻寬，他的研究團隊正在研發一種新的特殊光纖，用的材料是「鉻」（Cr）。
他解釋，雖然波長1.3到1.5微米左右的光損耗低，都適用於傳輸訊號，但是目前並沒有用到這麼大的頻寬（1.3到1.5微米），原因在於缺少適合的光放大器。他目前正在研發的鉻光纖材料，是將鉻放在鐿鋁石榴石（YAG）材料中，取代光放大器中的摻鉺光纖。新材料適用的頻寬不像鉺只限於1.55微米的波長，而是可以放大更多波長的波段，凸顯寬頻的特性。
雖然材料適合，但黃升龍指出，目前鉻原料的放大倍率還有待進一步提升。

「關光」全反射 不漏失傳得遠

把光「關」在玻璃纖維的介質中傳輸，靠的是「全反射」，要在光纖中形成全反射，要靠光纖主要構造：「纖心」（Core ）和「纖衣」（Clad）不同的折射率。
光從一個介質行進到另一個介質的時候，若兩個介質折射率不同，光的行進角度就會改變；一部分光線經過兩介質間的界面時會折射通過，另一些則會被反射回來。
當光從折射率大的介質進入折射率小的介質時，與法線的角度愈大，光線折射的部分會愈少，等到入射角大於臨界角時，光線就不會折射到另一個介質中，而是會全部反射回原來的、折射率較大的介質中。光纖就是利用這種方式來傳導光線。
光纖的主要結構是折射率大的纖心和折射率小的纖衣，光經過纖心行進到纖心與纖衣間的介面，經過全反射又回到纖心中，不會折射出去，因為沒有光線會損失，所以訊號可以傳到較遠的距離。