Physics Invention

20071月號物理新知: 光纖 optical fibres

中國光纖之父--高錕
高錕博士是美籍華裔光導通訊專家,在光導纖維通訊技術革命方面,作出了重大發明創造。早在一九六六年,當所有人都認為玻璃主要的用途是製造日常用具時,高錕卻發表了利用極高純度的玻璃作為媒介,傳送光波,作為通訊之用的基礎理論。根據他的理論,一條頭髮般幼的光纖,傳送訊息量上速度等於一束飯桌面般粗大的銅線。高錕的光纖理論被當時的專家認為不可能。直至一九八一年,第一個光纖系統面世,高錕被冠以「光纖之父」之名。時至今日,市民能夠享受話音清晰的長途電話通訊,利用ICQ及電子郵件即時與各地親友溝通,都是全靠光纖作為媒介。

 

光纖是甚麼?它怎樣傳遞訊息?
現在資訊科技一日千里,互聯網十分流行,我想很多同學也是利用寬頻網絡來觀看這網頁吧。能夠令訊息的傳遞快而準,光纖技術的發展是重要一環。究竟光纖是什麼?它又怎樣傳遞訊息呢?

我們先從一種常見的光學現象說起。當光線從折射率較大的介質 1 (光密介質) 入射到折射率較小的介質 2 (光疏介質) 時,經過折射後的光線會偏離法線。光線的入射角越大,出射光線會偏離越遠。直到入射角等於臨界角 c(sin c = n1/n2 ),光線會沿介面出射。如果光線的入射角大於臨界角,光線便會根據反射定律,完全折返介質1。這種現象叫做全內反射 (下圖)


簡單的光纖是由光密介質作中心,光疏介質作外層組成纖幼的導管,介質的原料通常是玻璃或膠 (下圖)

用光束照射光纖的一端,它便會在光纖中傳播,當遇到中心和外層的介面時,它會發生全內反射,折返中心部份。雖然光以直線進行,但即使光纖彎曲,光線也會繼續沿光纖的方向傳播 (下圖)

光纖的應用範圍很廣,除了作通訊用途外,還可以用來製造內窺鏡等醫療器材、光纖感應器或光纖裝飾等。

現代的光纖通訊是用光線的強弱變化,代表不同的訊息。將帶有訊息的光束入射光纖的一端,光纖便會引導光束傳播到另一端的接收器。只要有轉換器將光訊號還原,便可得回原本的訊息。因為光在玻璃纖維傳播的耗損少,所以訊息可傳播很長的距離而不需設中途轉駁站。而且數微米粗幼 (比頭髮還幼) 的光纖已能傳送每秒數以千萬計的脈衝,較使用銅線通訊優勝得多,所以逐漸替代銅線成為主要的通訊媒介。

 

光纖的貢獻

光纖這個驚世發明,沒為他帶來很大財富,因為專利權是屬於英國國際電話電報公司的。不過,高錕從此就蜚聲國際,幾乎每年都拿得國際大獎。今年五月,高錕獲耶魯大學頒發榮譽博士,一同得獎的,還有美國聯邦儲備局局長格林斯潘。這已是高錕第九個國際著名大學頒發的榮譽博士學位。
他的發明影響力非常大,如果他當時沒有這個發明,或者就沒有今日的 Internet。今天,市民能夠享受話音清晰的長途電話通訊,利用 ICQ 及電子郵件即時與各地親友溝通,都是全靠光纖作為媒介。

 

光纖不但創造了 Internet,最重要的是改善了人們的生活。Internet 將人與人「互聯」,縮短了彼此的距離。整個電影只要一秒鐘即可傳送至家堛犒q視;甚至一條「光纖」中一次可容納24千門電話同時通話傳送。貝爾實驗所發展的光導系統,可結合聲音、類比數據、數位數據、影像電話及各種視訊的服務。因此,這對資訊的傳輸產生了相當大的革命。