5G幕後功臣︰光纖｜星島教室
2023-10-19 14:30 
相信大家對「5G」一詞絕對不會陌生，5G發展改變了我們的生活，不論是無人機、IOT、網絡遊戲或是全球支付等，5G的高速率、高容量和低延遲都徹底改變了職場、全球經濟和我們的生活方式。究竟幕後最大功臣是誰？就是「光導纖維」，即我們很熟悉的「光纖」。
「光纖之父」高錕
當提到「光導纖維」，或稱「光學纖維」，簡稱「光纖」（Optical Fiber），很多人都會聽過「光纖之父」的名字，他就是中國現代物理學家高錕教授，他是中國第一代光纖通訊技術研究者之一。高錕教授1966年在英國標準電訊實驗室做出劃時代的光纖實驗，證明光在石英基玻璃纖維可長距離傳遞訊息，打破早期光在玻璃纖維只能短距離傳遞訊息的難題。高錕教授獲2009年諾貝爾物理學獎，以表揚他在「有關光在纖維中的傳輸以用於光學通訊領域的突破成就」，這成就造就了互聯網時代的爆炸性發展。
高錕教授1970年返回香港，擔任香港中文大學電子系講座教授，並於1987至1996年出任香港中文大學第三任校長。高錕教授於2018年逝世，享年84歲。高錕教授的成就在光學和光電子學領域具有重要的指導作用，他的研究貢獻推動了這些領域的科學研究和技術發展，對現代通訊技術的發展具有重要意義。
光纖實質是一種由玻璃或塑料製成的纖維，光纖的核心由玻璃「纖芯」（Core）製成，而纖芯外圍被一層折射率較低的「包層」（Cladding）覆蓋，它看來只是一條非常幼細的透明髮絲。光訊號能在特製的光學纖維中以「全內反射原理」（Total Internal Reflection）傳輸。以下先讓我們了解甚麼是折射現象與其相關定律。
折射率與折射定律
在真空情況下（或外太空），光線的傳播速度最快，為每秒299792458米（約3×108m/s）。不同介質有着不同密度，當光線進入不同介質時，會以不同速度傳播，速度的改變使光線改變其前進方向，稱為「折射」。不同物質能產生不同程度的折射，較高密度介質有較大的「折射率」（Refractive Index）。
折射方向與程度是基於「折射定律」（「斯涅耳定律」（Snell\'s Law））︰「入射角」（Angle of Incidence）和「折射角」（Angle of Refraction）之間的正弦值的比例，等於兩個介質的折射率的比例。
其中θ1和θ2分別是入射角和折射角；n1和n2分別是介質1和介質2的折射率。
全內反射原理
當n1＞n2，即光線從高密度介質進入低密度介質時，根據折射定律，折射角會大於入射角（θ2＞θ1），當折射角θ2達至90度，光便剛剛好不能到達第二個介質中，這個特定的入射角稱為「臨界角」（Critical Angle θC）。
當入射角大於臨界角時，全內反射發生，所有的光線被反射回原來的介質。
光纖原理
光纖是一種用於傳輸光訊號的纖維。它的工作原理基於光的全內反射。光纖中主要有兩個部分：「纖芯」（Core）和「包層」（Cladding）。纖芯和包層由不同的材料組成，纖芯的折射率較包層的高。
當光訊號從纖芯（高密度介質）進入包層（低密度介質）並達致入射角＞臨界角，全內反射便會發生，光訊號便可以在光纖中透過連續的全內反射，進行長距離傳播。
光纖的受光角
當光線射進光纖開端時，其角度是不能太大的，必須少於「受光錐角」（Acceptance Angle θA）。只有沿着特定受光錐角進入光纖的光線，才可沿着光纖傳播。
其中n1和n2分別是纖芯和包層的折射率。
篇幅所限，有興趣的讀者可自行掃描以下QR code，瀏覽本校5A學生陳皓然、伍永樂、孫紹銘及張睿成講解如何推導方程︰
例子
纖芯折射率 = 1.68
包層折射率 = 1.44
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：仁濟醫院羅陳楚思中學副校長譚在能、仁濟醫院羅陳楚思中學老師廖偉超及仁濟醫院羅陳楚思中學老師鄧頌賢
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