光學/光纖

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光纖是一種透明的、細小的（約 120 微米）玻璃或塑膠纖維，用於傳輸光。

它是如何製造的

光纖電纜具有芯線和包層。芯線是光線透過的部分。它由塑膠或玻璃製成。由於玻璃具有較低的的光吸收率，因此在長距離應用中始終使用玻璃。它周圍是折射率較低的材料。這稱為包層。光纖電纜可以在沒有包層的情況下工作，但這會提供較少的保護；因此，包層在現實世界中總是使用。包層還可以確保外部光線不會進入電纜並干擾傳輸的光線。此外，包層使臨界角的值在整個纖維長度上保持不變，無論它穿過什麼。這很重要，因為電纜通常需要在地下鋪設。

如果電纜在地下鋪設時沒有包層，那麼光線會逸出，因為外部環境的光密度將高於芯線，而全內反射僅在第一種介質的光密度高於第二種介質時才會發生。

全內反射

光纖利用全內反射的原理，使芯線的光密度高於包層。

$n_{1}=n_{\text{plastic}}=1.6$

$n_{2}=n_{\text{air}}=1.0$

$\theta _{1}=60^{\circ }$

$\theta _{2}={\text{angle of refraction}}$

$\sin \theta _{2}=\sin \theta _{1}{n_{1} \over n_{2}}$

求解 $\theta _{2}$

$\sin \theta _{2}=(\sin 60^{\circ })(1.6)=(0.866)(1.6)=1.39$

$\theta _{2}=\arcsin 1.39={\text{undefined}}$

（沒有角度的正弦大於 1）。

因此，沒有折射角。這告訴我們發生了全內反射，因為沒有折射光線。

全內反射的事實意味著光線不會逃逸，因為它不會在外面折射，而是繼續在纖維內部反射。全內反射 (TIR) 表示 100% 的反射。這在這種情況下非常有用，因為所有光線都將保留在纖維內部。

進入纖維的光線是光束。它由許多以類似方式運動的光線組成。它們將繼續相互交叉，從而用光線充滿芯線。透過光纖電纜傳播的光脈衝只是一束這些光線。

光脈衝透過光纖的速度是有極限的。這是由於脈衝擴充套件。由於光在長距離內會分散，因此光脈衝在沿纖維傳播時會發生變化。當傳送脈衝時，它處於方波形狀。但是，脈衝會逐漸變寬。

脈衝擴充套件

有兩種型別的色散會導致脈衝擴充套件

色散

當不同波長的光線透過光纖時，它們將以不同的速度傳播。例如，由於白光包含所有不同波長的光線，如果將白光照射透過光纖電纜，就會發生色散。這是因為白光中不同的顏色將以不同的速度傳播。

模態色散

如果光線傾斜，它們將比其他光線走更長的路線。平行於光纖中心的射線最先到達末端，而更傾斜的射線最後到達末端。

因此，我們可以得出結論，

總色散 = 色散 + 模態色散

脈衝擴充套件引起的問題

脈衝擴充套件導致一些主要問題

1. 頻寬限制：脈衝擴充套件限制了可以傳送的光脈衝的速率，從而限制了頻寬。
2. 距離限制：由於光纖電纜越長，光線分散得越多，因此隨著距離的增加，頻寬會降低。超過一定距離後，頻寬將變得不可接受地低。

我們世界中的光纖

現代光纖一根電纜中可以容納多達一千根光纖。

與普通的銅線相比，光纖有優點也有缺點。

1. 更低的損耗
2. 更大的資料承載能力（成千上萬倍）
3. 不受電磁干擾
4. 高電阻（在高壓裝置附近使用安全）
5. 重量輕
6. 訊號包含非常少的功率
7. 更快（光速）
8. 很難在不被發現的情況下竊聽光纖電纜
9. 必須用光纖替換現有的電線
10. 拼接難度更大。需要特殊培訓和專用工具

如今的光纖技術已經非常先進，在數百公里的距離內無需放大。但是，更遠距離的系統仍然必須使用光放大器。

作者

• Faraaz Damji (Frazzydee)