光纖的導(dǎo)光原理

1、光纖的導(dǎo)光原理 光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復(fù)雜的。要想全面地了解它，需要應(yīng)用電磁場理論、波動(dòng)光學(xué)理論、甚至量子場論方面的知識(shí)。但作為一個(gè)光纖通信系統(tǒng)工作者，無需對(duì)光纖的傳輸理論進(jìn)行深入探討與學(xué)習(xí)。 為了便于理解，我們從幾何光學(xué)的角度來討論光纖的導(dǎo)光原理，這樣會(huì)更加直觀、形象、易懂。更何況對(duì)于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何光學(xué)的處理問題的基本出發(fā)點(diǎn)。·5.1 全反射原理 我們知道，當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)是以直線方向進(jìn)行的，但在到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射與折

2、射現(xiàn)象，如圖5-1 所示。圖5-1 光的反射與折射根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。根據(jù)光的折射定律： （公式5-1）其中n1為纖芯的折射率，n2為包成的折射率。顯然，若n1>n2，則會(huì)有。如果n1與n2的比值增大到一定程度，則會(huì)使折射率，此時(shí)的折射率光線不再進(jìn)入包層，而會(huì)在纖芯與包層的分界面上經(jīng)過（），或者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播（）。這種現(xiàn)象叫光的全反射現(xiàn)象，如圖5-2所示。圖5-2 光的全反射現(xiàn)象 人們把對(duì)應(yīng)于折射角等于90的入射角叫做臨界角，很容易可以得到臨界角。 不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖

3、的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的。·5.2光在階躍光纖中的傳播傳播軌跡了解了光的全反射原理之后，不難畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖5-3 所示。圖5-3 光在階躍光纖中的傳輸軌跡通常人們希望用入射光與光纖頂端面的夾角來衡量光纖接收光的能力。于是產(chǎn)生了光纖數(shù)值孔徑NA的概念。因?yàn)楣庠诳諝獾恼凵渎蕁0=1，于是多次應(yīng)用光的折射率定律可得： （公式5-2）其中，相對(duì)折射率差： （公式5-3）因此，階躍光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進(jìn)行傳播的接收角c之正弦值。 需要注意的是，光纖的NA并非越大越好。NA

4、越大，雖然光纖接收光的能力越強(qiáng)，但光纖的模式色散也越厲害。因?yàn)镹A越大，則其相對(duì)折射率差也就越大（見5-2 公式），以后就會(huì)知道，值較大的光纖的模式色散也越大，從而使光纖的傳輸容量變小。因此NA 取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和模式色散。CCITT建議光纖的NA=0.18-0.23。·5.3 光在漸變光纖中的傳播5.3.1 定性解釋由圖5-1 和（5-1）式知道，漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。采用這種分布規(guī)律是有其理論根據(jù)的。假設(shè)光纖是由許多同軸的均勻?qū)咏M成，且其折射率由軸心向外逐漸變小，如圖5-4 所示。圖5-4 光在漸變光纖中傳播

5、的定性解釋即n1>n11>n12>n13>n2由折射定律知，若n1>n2，則有2>1。這樣光在每二層的分界面皆會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。由于外層總比內(nèi)層的折射率要小一些，所以每經(jīng)過一個(gè)分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，全反射的光沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個(gè)傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內(nèi)進(jìn)行傳播，其傳播軌跡類似于由許多許多線段組成的正弦波。5.3.2 傳播軌跡再進(jìn)一步設(shè)想，如果光纖不是由一些離散的均勻?qū)咏M成，而是由無窮多個(gè)同軸均勻?qū)咏M成。換句話講，光纖剖面的折射率隨徑向增加而連續(xù)變化，且遵從拋物線變化規(guī)律，那么光在纖芯的傳播軌跡就不會(huì)呈折線狀，而是連續(xù)變化形狀。理論上可以證明，若漸變光纖的折射率，分布遵從（5-1公式），則光在其中的傳播軌跡為： （公式5-4）其中 A為正弦曲線振幅，待定常數(shù)；a1為纖芯半徑；v為相對(duì)折射率差；為初始相位，待定常數(shù)。于是以不同角度入射的光線均以正弦曲線軌跡在光纖中傳播，且近似成聚焦?fàn)?，如圖5-5所示。圖5-5 光在漸變光纖中的傳播軌跡·5.4 光在單模光纖中的傳播光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方