1. 「光纖」是什麼？
【資料來源：黃忠偉 中山文庫-科技系列/光電漫談 台灣書店】
「光纖」就是能輸送光線的纖維。其實它與能輸送自來水的水管以及能輸送瓦斯的
瓦斯管一樣，只是管子的粗細小了許多，管徑的大小大約只有萬分之一公尺，
只比頭髮稍粗。「光纖」的主要功用就是傳輸「光波」，因為「光波」在空氣中傳送都
是沿直線進行，很容易被障礙物阻擋，所以需要「光纖」來幫忙輪送。其實它的作
用，與水管輸送自來水和瓦斯管輪送瓦斯的功能並無不同，只是「光纖」是根據
「全反射」的原理來傳輸「光波」，而在「全反射」的狀況下，整條「光纖」就像一條
周圍都是鏡子的管線，一旦光線進入這條管子，它再也跑不出來，只有乖乖地
從進口的這一端乖乖地跑到出口的那一端，就完成了「光波」的傳輸。
其實，一旦「光波」進入「光纖」，或多或少的還是會從「光纖」內部漏出來，跑出
來量的多少，跟「光纖」的品質有很大的關係。玻璃做的光纖，品質較好，價格較
貴，漏出的光量較少；塑膠做的光纖，價格較低廉，但相對地漏光量也較大，
這也是一分錢一分貨的道理。可是無論漏光量的大小，聰明的科學家與工程師們
都有因應的辦法：把「玻璃光纖」使用在需要傳真度較高的訊號傳輸，例如有線
電視、光纖網路等應用上，而故意把漏光量大的塑膠光纖，應用到照明的用途上
像是把「塑膠光纖」環繞游泳池的周邊，不但達到省電照明的功效(比四周設置電
燈要便宜)，而且還有藝術的效果。這種化腐朽為神奇、把缺點變成優點的作法，
其實就是能深切體會到「尺有所量，寸有所短」這個道理。其它還有許許多多的應
用，我們在後面再一一的來介紹。
在日常生活中，我們時常聽到「光纖通訊(Optical Fiber Communications)」，但什
麼是「光纖通訊」呢？它又是如何傳遞光的訊號呢？為了解這個問題，我們先從
「光傳輸」的歷史講起。
以光作為通訊的觀念可以追溯回較古的時代，當時是用火光來傳遞訊號作為警
戒用途。後來則是在海上航行的船隻利用燈號來作為通訊用途。至於第一項屬於
「光通訊」的專利則是在西元 1880 年由貝爾(Alexander Graham Bell)發明的「光話
機」(Photophone)所獲得。貝爾將太陽聚成一道極為狹窄的光束，照射在很薄的鏡
子上，當人們發出聲音的「聲波」讓這面薄鏡產生振動時，「反射光」「強度」的變
化使得感應的偵測器產生變動，改變「電阻」值。而接收端則利用變化的「電阻」值
產生電流，還原成原來的「聲波」。當貝爾測試「光話機」成功時，他寫下了「我聽
到光線的笑聲、咳嗽聲和歌唱聲」。
他的這項發明僅能傳播約 200 公尺，因為藉由空氣傳遞的光束，遇到的情況都

2. 不盡相同，例如霧、雨或雪都能阻擋光線，甚至在乾燥而新鮮的空氣中，光線強
度仍會隨距離迅速減弱。當時貝爾雖曾預測這項發明「在科學世界裏，將遠比電
話、留聲機和麥克風更有趣」，但由於光線在空氣中的衰減速度很快，使得「光通
訊」並非很實用。因此，有人也想到了利用物質傳導光。所以在西元 1870 年時，
約翰道耳(John Tyndall)作了一個實驗，讓「光波」在由桶底流出的水柱中傳播，
因為光為「電磁波」的一種，所以我們稱水柱那樣可以傳導光波的物質為「波導
（waveguide）」。介質「波導」的理論則始於西元 1910 年，由 Hondros 及 Debye 首
先提出。
近代的「光纖通訊」始於 1960 年代，而使得「光纖」成為現在及未來通訊的主力乃
是基於兩個事件的激發：首先是西元 1960 年美國物理學家梅門（Theodore
Harold Maiman）成功地使紅寶石振盪產生「雷射光」。第二則為西元 1966 年，科
學家高錕（Charles Kao）及 George A. Hockham，他們預測所製作的「光纖」，能
夠讓「光波」在其中傳輸一公里，仍有原來 1﹪的光能量，那麼「光纖」就能夠像電
纜一般，來作為傳輸工具。因為在當時，即使是最好的「光纖」，「光波」在其中傳
輸 20 公尺就已使光能量降低至原來能量的 1﹪。
到了西元 1970 年，由貝爾實驗室製作成功，可於常溫下連續振盪之半導體雷射
（Semi-Conductor-Laser）及康寧玻璃工廠（Corning Glass Work）製造出每公里
衰滅小於 20 分貝的低損失石英質（Silica）光纖後，「光纖」技術一日千里。今日，
由於光電科技的發展，每公里衰滅低於 1 分貝，傳輸頻寬（「頻率寬度」）高於
800MHZ 的光電纜已可大量生產，再配合「高階數位多工」（High Order Digital
Multiplex）技術的發展以及高性能「光電元件」（Opto-Electronic Device）的開發，
每秒傳播速度高達九千萬「位元（Binary Digit，簡稱 bit）」，甚至每到每秒四億
「位元」之高速大容量光通訊系統，目前已達實用化的階段。
「光纖傳輸」的優點包括了：1.低損失與寬頻帶；2.尺寸小及彎曲半徑小；3.不導
電、不輻射、不感應；4.重量輕等等。低損失與寬頻帶所提供的大傳輸量使得飄
（Gone With The Wind）整個電影只要 1 秒鐘即可傳送至家裏的電視；甚至一條
「光纖」中一次可容納 2 萬 4 仟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，這種傳輸方式將會是未來有線電視臺（第四臺）
傳播視訊的主流。
尺寸小及彎曲半徑小，質量輕的特點，使得「光纖」和「光纖」在空間的利用上獲
得很多便利，例如它可用於飛行器材、飛行工具、船上以及城市擁擠的地下導管
等等。又因「光纖」屬於「電介質波導」（電的不良導體），所以「光纖」不導電，不
輻射及不感應之特性，可以避免諸如利用金屬作為傳輸介質所引起的輻射干擾，

3. 地迴路以及感應相關之麻煩問題上。
另外，因為「光纖」的運用彈性很大，使得工程師們得以選擇「光纖」作任何傳輸
能量的使用。爾後，隨著系統擴增，只須改變終端的電子設備，就可以使「光纖」
作高傳輸能量的使用。這是說「光纖」的訊號傳輸損失量為一定值，它的傳輸量能
適應系統的需求做各種幅度的增長；而金屬的損失量卻是隨傳輸量的增加而加
大，故傳輸量改變，整個系統也要改變，不如光纖的運用有彈性。
光在傳播之時，若經兩個不同「介質」的介面，由於介質傳遞光的速度不同，就
會產生「折射」，例如插入水中的筷子好像折斷一般。當光從傳遞速度慢的介質到
傳遞速度快的介質時，會有一部分「折射」，一部分「反射」，到了某一角度時會
沒有「折射」，此時稱之為「全反射」。舉個例子來說，在大樓前的噴水池，為了夜
晚時有美觀的效果，經常會在水池中放置五顏六色的燈光，但您可曾注意到從
水中射出來的光只集中在燈中間部分，而在水及燈的周圍卻有光暈，這些光暈
就是因為「全反射」，將手電筒放在注滿水之水桶中（水桶越大越好）往上照，
此時大部分的光都會照出來，然後我們慢慢地將手電筒傾斜下來，就可看到「反
射」的光越來越多，「折射」的光越來越少，一直輕斜至某一個角度時，可以看見
水桶底下都是光，而上面卻沒有光透出來，這就是「全反射」現象。
光在水中傳遞的速度要比在空氣中傳遞的速度慢，故光從水中傳遞至空氣中時，
便會有「全反射」現象。在這裏我們要介紹一個光纖上常用的專有名詞－－「折射
率（Refractive Index）」，即光在真空中（如太空）傳遞的速度與光在介質中傳
遞速度的比值稱之為該介質的「折射率」。換言之，光從「折射率」大的介質到「折
射率」小的介質，會產生「全反射」現象。玻璃的「折射率」比空氣的「折射率」大，
因此光從玻璃到空氣也會有「全反射」的現象。「光纖」便是以玻璃纖維做為介質來
傳遞光，使光利用「全反射」原理在玻璃和空氣介面作「全反射」，如此一來光就
不會外洩。又光在「光纖」中可隨著玻璃纖維的方向而改變，就有如電纜上的電一
樣。
當我們用無線電傳送資訊時，必須先化成一系列的電訊號，由發射站轉換成為
「無線電訊號（Radio Signal）」，而接收站接到這些訊號後，再將其轉換成電訊
號，之後再解碼轉換成我們需要的資訊。同理，光也可以藉著閃爍光源，如訊號
閃光燈的開或關而產生一系列的圖形，我們稱之為「光訊號」。因為前面說過光比
電有更大的傳輸資訊能力，也就是說光可以斷成為更短的脈衝，因此在相同的
時間裏可形成更高密度且資訊豐富的圖形。在這種速率下，藉著合併圖形單元成
為一個個的「堆積（Stack）」，就可在同一條纖維中，同時傳送很多不同的資訊。
就如同汽車從交流道進入高速公路一樣，不會撞到其它汽車。這也就是為何「光
纖」能同時容納很多資訊在其中傳輸的原因。

4. 光纖的結構為圓形且細如髮絲之玻璃纖維，主要分為兩部分，裏層稱「核心
（Core）」，通常以玻璃做成；外層稱為「纖殼（Clad）」。因為「光纖」是屬於介
質波導之一種，故只要條件許可，也可使用特殊的塑膠材料或液體材料。由於
「光纖」的「核心」的直徑只有數個「微米」（百萬分之一米）至數十「微米」，而「纖
殼」的直徑也僅在一百至兩百「微米」之間，其本身相當微弱。因此，在一般應用
中，會於外層再鍍上一層塑膠，並再加一層尼龍，以免受到外界化學物質的侵
蝕。若將幾條如上述一般之光纖維起來，就可形成所謂的「光纖電纜」了，或簡稱
為「光纜」。
「光纖」依其「折射率」分布之不同，可分為兩種：一種是「級（階）射率光纖
（Step Index Fiber）」；另一種為「斜（緩）射率光纖（Graded Index Fiber）」。又
可依「傳播模態」的不同，分為兩「單模態光纖（Single-Mode Fiber）」及「多模態
光纖（Multi-Mode Fiber）」。在此要強調一點，除「單模態光纖」之外，其它如
「級射率」或「斜射率」光纖則都屬於「多模態光纖」。「級射率光纖」因其「核心」與
「纖殼」之「折射率」變化劇烈，因此「核心」射向外殼之光束會在介面產生「全反
射」；光則不停的依「全反射」之形式傳播，沿中心軸前進的光線和反射前進的光
線到達終點的時間有差異。「單模態光纖」之「核心」其直徑非常細，因此只有平行
中心軸的光線進入「核心」，故光線到達終點的時間一致。「斜射率光纖」，因其
「核心」「折射率」之變化是緩和且連續，又因光在介質中之速度和「折射率」成反
比，故原先偏離中心軸的光線，經過連續曲折後，依序會再回中心軸，最後到
達終點的時間大約一致。
「光纖」除應用在大量資訊傳輸之外，一般最常用的則是影像傳送，例如工程師
可在安全距離檢查核能電廠的輻射區，「光纖」在醫學上的應用也很多，例如內
視鏡，它是一根柔軟可彎曲且內含數條「光纖」的管子。當它滑入病人的嘴、鼻、消
化道及其它心臟等由體外看不到的地方時，醫生便能由內視鏡看到內部變化，
而減少進行冒險性手術的需要。