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光纤的基本知识 光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。 通常，光纤是由高纯度的石英玻璃为主掺少量杂质错(Ge)、硼(B)、磷(P)等的材料制成的细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)。实用的结构有两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。通常，在包层外面还有一层起支撑保护作用的涂覆层。 因为光是电磁波，所以光在光纤中的传播可用麦克斯韦波动方程来分析。断面尺寸比光波长大很多时，可用几何光学的概念来处理。 图A.1 图A.1当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射 图A.1为光在不同介质中的传播。图中介质1的折射率为％，介质2的折射率为n2。当光束以较小的耳角入射到介质界面上时，部分光进入介质2并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。介质的折射率定义为光在空气中的速度与光在介质中的速度之比。 由菲涅耳定律可知TOC\o1-5\h\zq=q(a.1) \o CurrentDocument sin0nsin0；=n2心在n1n2时，逐渐增大01，进入介质2的折射光束进一步趋向界面，直到可趋于90°。 在n1n2时，逐渐增大01， 此时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近入射光强。当耳=90。极限值(A.3)时，相应的可角定义为临界角^。由于sin90。=1，所以临界角0=arcsin(n/n)当。］凡时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n1n2时，在界面上才能产生全反射。 (A.3) 图A.2子午光线的全反射 图A.2子午光线的全反射 全反射现象是光纤传输的基础。对于一根具体的光纤，如图A.2所示。为分析方便，以下主要讨论光线为子午光线的情况。通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线则称为子午光线。显然，子午面有无数个。根据光的反射定律：入射光线、反射光线和分界面的法线均在同一平面，光线在光纤的芯-皮分界面反射时，其分界面法线就是纤芯的半径。因此，子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内所示。 这是子午光线传播的特点。 由图A.2可求出子午光线在光纤内全反射所应满足的条件。图中其纤芯折射率n1大于包层折射率n2,n0为空气折射率。要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯■包层分界面上的入射角牝大于（至少等于）临界角％，即?n (A.4)sinv (A.4) 0 (A.5)=arcsinn (A.5) n1J sin00 sin0 0 (A.6) 式中0=90—W。再利用nsinp=nsin0，可得0001(A.7)nsin^=nsin0=Jn-n (A.7) 由此可见，相应于临界角％的入射角％，反映了光纤集光能力的大小，通称为孔径角。 与此类似，n0sin%则定义为光纤的数值孔径，一般用NA表示，即NA=nsin中=寸n2—n2（A.8）接收锥图A.3光纤的数值孔径 接收锥 图A.3光纤的数值孔径 NA是表示光纤波导特性的重要参数、它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率、而与光纤的几何尺寸无关。 在光纤中传输的光线除上面讨论的子午光线外，还有斜光线。斜光线是指从光纤端面任意方向入射是不为同一平面内传播的光线。斜光线也有其全反射条件，满足条件的斜光线才能在光纤户传输，两者的重要区别是，子午光线是平面曲线（呈锯齿形），斜光线是空间曲线（有时呈螺旋形）。 光纤的分类 光纤是一种光波导，因而光波在其中传播也存在模式问题。模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。一般说来，不同的模式有不同的场结构，且每一种传轴线都有一个与其对应的基模或主模。基模是截止波长最大的模式。除基模外，截止波长较短的其它模式称为高次模。根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。 单模光纤只能传输一种模式，但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式。 归一化频率V是一个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式如下V=ka-NA=ka?Jn2-n=nka(2A)i/2(A.9) 式中，k是平面波在自由空间中的传播常数或波数，定义为k=2n/刀久是传导光在自由空间的波长。a是光纤的半径；NA是光纤的数值孔径；n1是纤芯折射率的最大值；n2是包层折射率；△为最大相对折射率差，即(A.10)(A.11)An2—n2n-nTOC\o1-5\h\z2n2n (A.10) (A