光纤的传播模式

光纤的传播模式

简单他说，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。当光纤的芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。如图所示，以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。其中，模次较低的模为低次模，如二次模；模次较高的模为高次模。

当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光

线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的

光纤就称为单模光纤。

大家知道，光也是电磁波。从波的角度考虑，光纤纤芯内

传输的光可以用细水路中行进的水波来类比：纤芯为细水路，

包层为细水路的壁，箭头代表波的行进方向，如图（a ）所示。

这条细水路中的水波状态可以用图（b ）所示的模式化图形来表示。在纤芯内，存在着许多沿不同方向传输的光射线，这里暂且只考虑类似水路中的①和②两束波，它们以相同的入射角进入光纤，以相同的角度向纤芯－包层交界面行进。当光线②行进到交界面时，将产生反射，形成反射波，为②’。很明显，①和②”就成为以相同方向行进的波。波有干涉性。当振幅相同、频率也相同的两个波相遇时，干涉波的强度是各波强度的叠加。如果这两个波的相位相同，波峰和波峰、波谷和波谷都一致，则强度加强；如果这两个波

的相位相反，波峰对着波谷，则强度相互抵消为0。

光波也有干涉性。如图（b ）所示的①和②’这两

束以相同方向行进的波，如果它们的相位一致，则这

两束波相互加强，就可以一直传播下去；如若这两束

波的相位不一致，与图中所画的相位相反，则它们就

彼此削弱，直至最后消失。如此看来，只有以某些特

定角度射入芯包交界面的波才能相互得到加强，继续

传播至远方。也就是说，光线与芯包交界面的角度为

某些特定值的光波才不会被削弱，而形成一组一组的

传输波，这被称为传播模式。依据光线与交界面间的夹角由小至大，分别称这些传播模式为0次模（基模）、一次模、二次模…… 由以上的分析可以得出以下几个结论。

光纤的传播模式 光在光纤中的干涉

①并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种光纤都只允许某些特定的光波通过，而其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式。

②在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，其受到光纤的衰减也不同，观察与光纤垂直的横截面，就会看到，不同模式的光波在横截面上的光的强度分布图形也不同，有的是一个亮斑，有的分裂为几个亮点。

③进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而入射角小于临界角的光就有一部分进入包层，被很快衰减掉。前者的传输损耗小，能作远距离传输，称为传导模。

④能满足全反射条件的光线也只是具有特定角度的部分才能在光纤中传输，因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的。当通过一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同。沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线交角大的光所走的路径则较长。