光纤的导光原理.docx

光纤的导光原理光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是非常困难的。要想全面地了解它，须要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的学问。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深化探讨与学习。为了便于理解，我们从几何光学的角度来探讨光纤的导光原理，这样会更加宜观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本动身点。 5.1全反射原理我们知道，当光线在匀称介质中传播时是以宜线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图57所示。折射光图51光的反射与折射依据光的反射定律，反射角等于入射角。依据光的折射定律：（公式5-1）其中n1.为纤芯的折射率，112为包成的折射率。明显，若n1.>n2,则会有假如n1.与n2的比值增大到肯定程度，则会使折射率B%',此时的折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上经过。网.时），或者重返回到纤芯中进行传播。网F）.这种现象叫光的全反射现象,如图5-2所示。图5-2光的全反射现象人们把对应于折射角等于90的入射角叫做临界角，很简洁可以得&5>,到临界角可，不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。 5.2光在阶跃光纤中的传播传播轨迹了解r光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播与沿纤芯与包层的分界面拂过，如图5-3所图5-3光在阶跃光纤中的传输轨迹通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的实力。于是产生了光纤数值孔径NA的概念。因为光在空气的折射率n=1.,于是多次应用光的折射率定律可得：%Smq-wSfn=%Wt(90F)力保证光4七灯中的个反射.f-c.HSne1.7nITftftStnc三1.Srn(900-r)（公式5-2）其中，相对折射率差:.”；一-（公式5一3）'因此，阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角0c之正弦值。须要留意的是，光纤的NA并非越大越好°NA越大，虽然光纤接收光的实力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差A也就越大（见52公式），以后就会知道，值较大的光纤的模式色散也越大，从何使光纤的传输容量变小。因此NA取值的大小要兼顾光纤接收光的实力和模式色散。CC1.n建议光纤的NA=O.180.23。5.3光在渐变光纤中的传播5.3.1定性说明由图5T和（5-1）式知道，渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率渐渐变小。采纳这种分布规律是有其理论依据的。假设光纤是由很多同轴的匀称层组成，且其折射率由轴心向外渐渐变小，如图5-4所示。图5-4光在渐变光纤中传播的定性说明即n1.>n1.1.>n1.2>n1.3>n2由折射定律知，若n1.>n2,则有62>01.这样光在每二层的分界面皆会产生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样始终到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面对前传播，而反射光则乂逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由很多很多线段组成的正弦波。5.3.2传播轨迹再进一步设想，假如光纤不是由一些离散的匀称层组成，而是由无穷多个同轴匀称层组成。换句话讲，光纤剖面的折射率随径向增加而连续改变，且遵从抛物线改变规律，那么光在纤芯的传播轨迹就不会呈折线状，而是连续改变形态。理论上可以证明，若渐变光纤的折射率，分布遵从（51公式），则光在其中的传播轨迹为：3应等Za（公式54）其中A为正弦曲线振幅，待定常数：a1.为纤芯半径：V为相对折射率差；为初始相位，待定常数。于是以不同角度入射的光线均以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似成聚焦状，如图5-5所示。图5-5光在渐变光纤中的传播轨迹5.4光在单模光纤中的传播光在单模光纤中的传播轨迹，简洁地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图5-6所示。图5-6光在单模光纤中的传播轨迹这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。