5G幕后功臣︰光纤｜星岛教室
2023-10-19 14:30 
相信大家对「5G」一词绝对不会陌生，5G发展改变了我们的生活，不论是无人机、IOT、网络游戏或是全球支付等，5G的高速率、高容量和低延迟都彻底改变了职场、全球经济和我们的生活方式。究竟幕后最大功臣是谁？就是「光导纤维」，即我们很熟悉的「光纤」。
「光纤之父」高锟
当提到「光导纤维」，或称「光学纤维」，简称「光纤」（Optical Fiber），很多人都会听过「光纤之父」的名字，他就是中国现代物理学家高锟教授，他是中国第一代光纤通讯技术研究者之一。高锟教授1966年在英国标准电讯实验室做出划时代的光纤实验，证明光在石英基玻璃纤维可长距离传递讯息，打破早期光在玻璃纤维只能短距离传递讯息的难题。高锟教授获2009年诺贝尔物理学奖，以表扬他在「有关光在纤维中的传输以用于光学通讯领域的突破成就」，这成就造就了互联网时代的爆炸性发展。
高锟教授1970年返回香港，担任香港中文大学电子系讲座教授，并于1987至1996年出任香港中文大学第三任校长。高锟教授于2018年逝世，享年84岁。高锟教授的成就在光学和光电子学领域具有重要的指导作用，他的研究贡献推动了这些领域的科学研究和技术发展，对现代通讯技术的发展具有重要意义。
光纤实质是一种由玻璃或塑料制成的纤维，光纤的核心由玻璃「纤芯」（Core）制成，而纤芯外围被一层折射率较低的「包层」（Cladding）覆盖，它看来只是一条非常幼细的透明发丝。光讯号能在特制的光学纤维中以「全内反射原理」（Total Internal Reflection）传输。以下先让我们了解甚么是折射现象与其相关定律。
折射率与折射定律
在真空情况下（或外太空），光线的传播速度最快，为每秒299792458米（约3×108m/s）。不同介质有着不同密度，当光线进入不同介质时，会以不同速度传播，速度的改变使光线改变其前进方向，称为「折射」。不同物质能产生不同程度的折射，较高密度介质有较大的「折射率」（Refractive Index）。
折射方向与程度是基于「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）之间的正弦值的比例，等于两个介质的折射率的比例。
其中θ1和θ2分别是入射角和折射角；n1和n2分别是介质1和介质2的折射率。
全内反射原理
当n1＞n2，即光线从高密度介质进入低密度介质时，根据折射定律，折射角会大于入射角（θ2＞θ1），当折射角θ2达至90度，光便刚刚好不能到达第二个介质中，这个特定的入射角称为「临界角」（Critical Angle θC）。
当入射角大于临界角时，全内反射发生，所有的光线被反射回原来的介质。
光纤原理
光纤是一种用于传输光讯号的纤维。它的工作原理基于光的全内反射。光纤中主要有两个部分：「纤芯」（Core）和「包层」（Cladding）。纤芯和包层由不同的材料组成，纤芯的折射率较包层的高。
当光讯号从纤芯（高密度介质）进入包层（低密度介质）并达致入射角＞临界角，全内反射便会发生，光讯号便可以在光纤中透过连续的全内反射，进行长距离传播。
光纤的受光角
当光线射进光纤开端时，其角度是不能太大的，必须少于「受光锥角」（Acceptance Angle θA）。只有沿着特定受光锥角进入光纤的光线，才可沿着光纤传播。
其中n1和n2分别是纤芯和包层的折射率。
篇幅所限，有兴趣的读者可自行扫描以下QR code，浏览本校5A学生陈皓然、伍永乐、孙绍铭及张睿成讲解如何推导方程︰
例子
纤芯折射率 = 1.68
包层折射率 = 1.44
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：仁济医院罗陈楚思中学副校长谭在能、仁济医院罗陈楚思中学老师廖伟超及仁济医院罗陈楚思中学老师邓颂贤
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