【折射3】光纖的原理就是全內反射，光纖的技術有甚麼困難？
你可能見過中秋節那些會發光的纖維燈，或家裏剛裝的光纖寬頻。令人好奇的是：光明明是直線前進，為何在一條幼到像頭髮的玻璃纖維裏，竟然可以「彎住走」，還幾乎不會耗散，將龐大的數據由一端送到另一端？背後的關鍵，是物理課本中的幾個核心概念——全內反射、折射率、色散——再加上工程師在材料與製造上的突破，讓光以曲線的方法安全轉彎，並把能量散失壓到極低。
從銅線到光纖：為何要換跑道
未有光纖前，通訊靠銅線。銅線導電會發熱，能量變成熱流失，訊號越走越弱。要傳更多資訊，直覺是提高頻率，但銅線在高頻時等效電阻會增加，發熱更厲害，像把水喉開到最大，反而水阻大、嘈吵又漏水。結果就是容量有限、距離受限。於是有人問：可否改用光來攜帶訊號？如果能在透明介質中令光拐彎前進，且損耗極低，我們便能同時解決「速度、容量、距離」三重難題，這正是光纖技術的由來。
全內反射：讓光彎住走
光在兩種介質交界會折射或反射。當它從「光學上較稠密」的介質（如玻璃）射向較疏的介質（如空氣），入射角大到某個臨界值時，光不再射出，而是全部被反回去——這就是全內反射。你見過飲管在水中看似「折斷」，或三棱鏡把光轉向，都是折射與反射的效果。光纖把這現象用到極致：讓光在纖維內壁次次「撞牆反彈」，像保齡球在窄巷來回彈跳，但始終被困在管中向前走，於是能量幾乎不外洩。中秋時拿電筒接一些塑膠光纖，便能做出閃亮圖案，這是玩具級的示範；但要把它變成全球通訊骨幹，難度完全不同。
兩大關鍵技術：鐳射與超純玻璃
1960年代，高錕（Charles K. Kao）提出以透明纖維導光來通訊的構想。他不是第一個想到「用光傳訊」的人，卻是第一位清楚指出「要實用化，必須同時突破哪些瓶頸」的人。其一是光源：當時常見的是氦氖鐳射，像一條大水管般長，啟動要預熱，輸出不穩；我們今日手指大小、按一下就亮的半導體鐳射，當時尚未發明。其二是材料：要製造沒有氣泡、沒有雜質、性質極均勻、而且長度可達數百、數千公里的玻璃纖維，談何容易？玻璃裡一粒微小氣泡，在我們眼中不打緊，對光卻像懸崖，會造成散射與嚴重損耗。高錕的貢獻，是把可行的損耗目標、純淨度要求、與放大間距等工程指標講清楚，於是整個產業知道應該往哪個方向發力。正因為有人願意為這些「看似不可能」的指標投放心力，才有今日隨手可用的光纖網絡。
接駁的學問：一絲之差，天淵之別
就算有了好光源與好纖維，還要把一條條光纖無縫接駁。電線接駁不好會發熱；光纖更苛刻——在我們看來「幾乎貼緊」的斷口，對波長微米級的光來說可能是一條大縫，導致反射與外洩。為了把損耗降到幾乎可以忽略，工程師發展出熔接、拋光、陶瓷對芯等技術，還要把纖芯精準對準到頭髮絲的百分之一，這些看似不起眼的工序，背後是大量物理與精密製造的積累。每多一個接駁點，就好像在高速公路多設一個路障，速度與流量都會受影響，因此「少而精」的接駁是關鍵。
為何不用白光？色散讓訊號「拉長」
白光包含紅橙黃綠藍靛紫多種顏色。在空氣中它們速度相同，看起來就是白色。但在玻璃等介質內，不同顏色的光速度不同——紅光通常跑得比紫光快，於是經過一段距離後，原本疊在一起的「光脈衝」被拉開，訊號變得模糊，這就是色散（dispersion），也是三棱鏡能把白光拆成彩虹的原因。為減少這種「脈衝展寬」，通訊通常用單一顏色、頻率極純的鐳射作載體，讓整個訊號以同一速度前進，進口與出口的時間形狀就不會被拖長，可靠性自然更高。
更聰明的纖芯：漸變折射率，路徑變公平
如果一條光纖的折射率（折射系數）處處相同，從不同角度射入的光會走出長短不一的「彈跳路徑」，產生所謂的模態色散。工程師的妙招，是把光纖做成「由內到外折射率逐層遞減」的結構，常見為多重同心環，一圈套一圈，稱為漸變折射率光纖（Graded Index Optical Fiber）。其效果好像在道路中央設了「快線」——離中心越近折射率越高，光速較慢；靠外圍折射率低，光速較快。於是原本走遠路的光被允許跑快一點，走近路的光就稍慢一點，大家在出口更齊整地同時到達，訊號失真便大幅降低。在更長距離與更高速度的場景，還會使用「單模光纖」，讓光只沿唯一路徑前進，從源頭杜絕多路徑差異。
一纖多線：用顏色分流，容量暴增
更進一步，我們把不同顏色的鐳射當作不同的「車道」，在同一條光纖內同時傳多路訊號，這稱為波分複用（WDM）。在銅線年代，我的一條電話線最好只承載一個號碼，否則彼此串音（crosstalk）嚴重；到了光纖時代，你講電話的紅光、我上網的綠光、他看片的藍光，各走各線卻共用同一根纖維。想像一下：以前要支援100個電話號碼，可能要鋪100條銅線；現在100路甚至上千路訊號，可以擠在同一條光纖裡安然通過。於是海底電纜不再需要像千年老樹般粗大，一個成年人一手便能握住的新型光纜，就能承擔跨洋資料洪流。光纖除了容量高、損耗低，也節能耐用，維護成本更合理。
物理重點小結
- 全內反射：光在高折射率介質內，以超過臨界角入射到界面時會被完全反回，令光能被「困」在纖芯內，長距離低損耗傳輸。
- 折射率與色散：在玻璃中不同顏色光的速度不同，脈衝會被拉長；使用單一顏色的鐳射可把色散降到最低。
- 漸變折射率光纖：由內到外折射率遞減，多重同心層設計，補償不同路徑長度差，減少模態色散。
- 光源選擇：半導體鐳射體積小、效率高、顏色單一，遠勝早期笨重的氦氖鐳射。
- 材料與製造：超純、無氣泡、性質均勻的長距離玻璃纖維是基礎；任何瑕疵都會造成散射與損耗。
- 接駁技術：熔接與精密對芯把接頭損耗降到極低；每少一個接點，可靠性就更高。
- 容量擴展：波分複用把不同顏色當作不同通道，在同一光纖內並行傳數據，容量呈倍數增長。
- 與銅線比較：銅線高頻時損耗與發熱嚴重；光纖頻寬高、損耗低、纜徑細，適合遠距離與大流量。
結語
從一支要預熱的大號氦氖鐳射，到今天便利店也買得到的鐳射筆；從實驗室裡一米長的玻璃管，到跨越大洋的細小光纜，這段歷程證明：把教科書上的物理概念，變成可靠的日常基建，需要遠見與耐性。高錕把目標畫清楚，材料科學家、化工企業、通訊工程師就接力把每一個難點啃下。當你在香港的家中以光纖上網、視像會議、串流電影，畫面順滑、延遲很低，背後正是全內反射、色散控制、漸變折射率與波分複用等一連串「看不見的物理」在默默工作。下一次看見那束微弱的紅點，不妨想像它變成億萬束的有序光，正穿越城市與海洋，把我們連在一起。
