光导纤维原理-光纤原理

1-2 光纤之信号损失与失真
谈到光纤传输光信号时，首先须先谈光纤信号之损失与失真原因，光纤之材料可分为无机材料及有机材料两种，有机材料如 PMMA、PC、PS或PCF 塑料，而PMMA透明性最佳故使用率最高，但其损失较无机材料大，塑料光纤在1500nm的波长传输损失为150dB/km，而石英玻璃光纤之损失为0.2dB/km，但价格较低，大都用于近距离之通讯，而无机材料中，目前以石英玻璃之损失为最低，并且又具有高强度及良好的安定性，其主要成份为二氧化硅 (SiO2) ，当为了增大折射率时，会添加二氧化锗、氧化铝、二氧化、氧化磷等材料，当为了减少其折射率时，则考虑加入三氧化二硼及氟等材料。另外，塑料光纤目前耐热性远不及石英玻璃光纤，在80℃以上的温度时传输损失增加。
现依下列各项来讨论：

1．材料的吸收损失：

材料的吸收损失原因首推光纤内含有过渡金属元素 ( 如 Sc, Ti, V, Cr, Mn......等 ) ，这类金属在光谱范围有广大的吸收带。另外所含的氢氧基离子及材料的缺陷（如光纤制造时内部产生的小气泡），亦产生吸收损失，这些因素在制造技术上已经有长足的改进了。

图1-2-2 光纤之一般选择1300nm或1500nm波长来当作理想光源

2．材料的散射损失：
由于材料之密度或组成不均皆产生 Rayleigh 散射(scattering)，其损失值与波长四次方成反比，如图1-2-2，因此波长越长，损失越小，因此理想中一般选择1300nm或1500nm波长来当作光源，除了 Rayleigh 散射外，尚有其它的散射行为，但影响不如 Rayleigh 散射来得大。

3．机械变形所引起之损失：

当机械变形所引起的微曲及弯曲皆造成光纤传送信号的损失，所谓微曲损失是指当光纤缠绕在一圆筒状上，在这圆筒表面的不平坦会引起微曲现象，其所受到的不均匀之侧面压力造成在轴方向产生微末级的弯曲，因此而造成损失的情况。所谓弯曲损失则是指在某处之入射角比临界角小时，光向外面折射而造成之损失。

4. 光纤信号之色散与失真

光纤信号之失真主要是因为色散（dispersion）所引起，亦即光纤对不同的光波长其折射率也不同，对光源而言，典型的红外线发光二极管 IR LED波长880nm，其波长频宽为40 nm，亦即波长范围从860 nm到900nm，至于雷射二极管波长频宽范围只有2 nm，色散问题要小的多。如图1-2-3，光波长越长，光纤之材料折射率越小，这也造成了如图1-2-4 之结果。

图1-2-3 光波长越长，光纤之材料折射率越小

图1-2-4 光纤信号之色散失真