階躍型光纖的導光原理

（江蘇省徐州技師學院 江蘇 徐州 221151）

光通信，就是利用光進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，在這里光波是信息的載體。目前廣泛使用的光通信方式是利用光導纖維傳輸光波信號，這種通信方式稱為光纖通信。光導纖維（簡稱光纖）是光波的傳輸媒介。那么，光波是如何在光纖中傳輸?shù)哪?？始終困擾著學習者，現(xiàn)代通信的特點是高速率、大容量、綜合業(yè)務傳輸，都是通過細細的光纖來傳輸。下面我們來學習一下階躍型光纖的光傳播。

1.光的反射與折射

光在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的；光到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。光的反射定律：反射角等于入射角。光的折射定律：

n1sinθ1=n2sinθ2其中：n1為纖芯的折射率，n2為包層的折射率，θ1是入射角，θ2是折射角。

圖1 光的反射與折射

階躍型光纖是指在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，其折射率分布是各自均勻的，其值分布為n1與n2，在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的（即由n2減小到n1）。光在纖芯中是以直線傳輸?shù)?，光在纖芯與包層分界面處發(fā)生反射（反射角θ1）與折射（折射角θ2）。

2.全反射原理

纖芯的折射率大于包層的折射率）（即n1＞n2），光傳輸?shù)嚼w芯與包層界面時，發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，光是由光密介質(zhì)進入到光疏介質(zhì)，這時入射角小于折射角（即θ1＜θ2）。當入射角增加，折射角也增加。如果n1與n2的比值增大到一定程度，就會使折射角θ2≥90°，折射光線不再進入包層而在纖芯與包層的分界面上掠過（即θ2=90°），或者光線重返回到纖芯中進行傳播（即θ2＞90°）。這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象。

圖2 光的全反射現(xiàn)象

把對應于折射角θ2=90°的入射角叫做臨界角（θc）。從圖中我們可以看出來，當入射角大于臨界角時，光發(fā)生全反射現(xiàn)象，即沒有光線進入到包層中，光線基本上全部在纖芯中進行傳播，這時不會發(fā)生光能量損失，大大降低了光纖的損耗，增加光纖的傳輸距離。

3.階躍型光纖的光傳播

在學習階躍型光纖的光傳播原理之前，我們先學習子午線和子午面。當一束光線從光纖端面耦合進入光纖時，光纖中會形成兩種光射線：子午線和斜射線。光線始終在一個包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個傳播周期與中心軸線相交兩次，這種光線稱為子午線；含光纖中心軸線的平面就稱為子午面。當光線在傳播過程中的軌跡不在同一個平面內(nèi)，并不與光纖中心軸相交，這種光線稱為斜射線。斜射線分析起來比較抽象，但其基本導光原理同子午線方式相同，所以學習時以子午線的導光原理分析。

明白子午線與子午面之后，在階躍型光纖的光傳播中，要知道有兩個界面：界面1是在光纖的左端空氣與纖芯的界面，空氣的折射率為n0，并且小于纖芯的折射率n1，所以在界面1處，光線是由光疏介質(zhì)進入到光密介質(zhì)中，折射角小于入射角。界面2是纖芯與包層的界面，前面已經(jīng)研究過，其折射角大于入射角。如圖3中，入射光①從界面1以入射角фi進入纖芯，發(fā)生反射與折射，折射角為θz，光線在纖芯中直線傳播到界面2，發(fā)生反射與折射，折射進入到包層中的光波發(fā)生衰減而損耗掉，反射進入纖芯中的光波能量減弱，光線經(jīng)過幾次反射、折射后，很快就被損耗掉了。入射光②從界面1以入射角ф0進入纖芯，發(fā)生反射與折射，折射角為θz0，光線在纖芯中直線傳播到界面2，入射角略大于臨界角θc，此時光線射向界面2，光線由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，發(fā)生全反射現(xiàn)象，能量全部被反射回纖芯，光波沒有進入包層中傳播，沒有發(fā)生能力損耗。這種光線傳輸?shù)木嚯x最遠，當它繼續(xù)傳播再次遇到纖芯與包層的界面時，再次發(fā)生全反射，如此反復，光線就能從光纖的一端傳播到光纖的另一端。類似像光線②的光波是我們需要的有用的，在界面2處會形成全反射，這樣的光線要滿足什么樣的條件呢，必須фi≤ф0。稱ф0為光纖端面的最大入射角，2ф0為光纖端面的最大可接收角。

圖3 階躍型光纖的光傳播

由上面的導光原理分析（界面2處），我們可以掌握光波在光纖中傳播的全反射條件：（1）光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)（即n1＞n2）；（2）入射角必須大于或等于臨界角。