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化探讨与学习。 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.·5.1 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。假如 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。·5.2 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...