光纤的导光原理

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十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。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入探讨与学习。

为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、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出发点。

·全反射原理

我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，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5-1 所示。

图5-1 光的反射与折射

根据光的反射定律，反射角等于入射角。

根据光的折射定律：

（公式5-1）

其中n1为纤芯的折射率，n2为包成的折射率。

显然，若n1>n2，则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射率，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（），或者重返回到纤芯中进行传播（）。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，很容易可以得到临界角。

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。

·光在阶跃光纤中的传播

传播轨迹了解了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”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图5-3 所示。

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能力。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n0=1，于是多次应用光的折射率定律可得：

（公式5--2）其中，相对折射率差：

（公式5--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θc之正弦值。

需要注意的是，光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，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Δ也就越大（见5--2 公式），以后就会知道，Δ值较大的光纤的模式色散也越大，从而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能力和模式色散。CCITT建议光纤的NA=。

·光在渐变光纤中的传播

定性解释

由图5-1 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逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。假设光纤是由许多同轴的均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，如图5-4 所示。

图5-4 光在渐变光纤中传播的定性解释

即

n1>n11>n12>n13……>n2

由折射定律知，若n1>n2，则有θ2>θ1。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，就这样一直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向前传播，而反射光则又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许多许多线段组成的正弦波。

传播轨迹

再进一步设想，如果光纤不是由一些离散的均匀层组成，而是由无穷多个同轴均匀层组成。换句话讲，光纤剖面的折射率随径向增加而连续变化，且遵从抛物线变化规律，那么光在纤芯的传播轨迹就不会呈折线状，而是连续变化形状。

理论上可以证明，若渐变光纤的折射率，分布遵从（5--1公式），则光在其中的传播轨迹为：

（公式5--4）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

·光在单模光纤中的传播

光在单模光纤中的传播轨迹，简单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。