光射線在光纖中的傳輸

王應(yīng)吾

光射線在光纖中的傳輸

王應(yīng)吾

對光射線在光纖中的傳輸原理、光纖的導(dǎo)光原理以及光波在光纖中的傳輸損耗進(jìn)行了理論探討。

電磁波；導(dǎo)光原理；傳輸損耗

光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通信是以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。由于光纖通信具有傳輸頻寬帶，通信容量大，損耗低，不受電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此光纖通信技術(shù)近年來發(fā)展速度之快，應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的?？梢哉f這種新興技術(shù)是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，又是未來信息社會中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。

1 光是某一波段的電磁波

式（1） 中εr為介質(zhì)的相對介電系數(shù)，μr為相對磁導(dǎo)率。

另外，光在透明介質(zhì)里的傳播速度V小于真空中的速度C。C與V的比值是該透明介質(zhì)的折射率，即：

既然光是電磁波，將式（1） 和式（2） 相比較便可得知：

式（3） 把光學(xué)和電磁學(xué)這兩個不同領(lǐng)域中的物理量聯(lián)系起來了。

光纖通信與電通信的主要差異有兩點(diǎn)：一是光纖通信傳輸?shù)氖枪獠ㄐ盘?；二是傳輸光信號的介質(zhì)是利用光纖。

根據(jù)光的電磁理論，人們已經(jīng)知道光波是電磁波；又經(jīng)人們對電磁波的研究，發(fā)現(xiàn)光波的波長在微米級，頻率為1014Hz～1015Hz數(shù)量級。

根據(jù)電磁波譜可知，紫外線、可見光、紅外線均屬于光波的范疇。目前光纖通信使用的波長范圍是在近紅外區(qū)內(nèi)，即波長為0.8 μm～1.8 μm，可分為短波長波段和長波長波段。短波長波段指波長為0.85 μm，長波長波段指 1.31 μm 和 1.55 μm。這是目前光纖通信所采用的3個實(shí)用通信窗口，即3個實(shí)用的低損耗波長點(diǎn)。

2 光纖的導(dǎo)光原理

2.1 均勻光纖和非均勻光纖

按照折射率分布的不同通?？砂压饫w分為均勻光纖 (突變型光纖)和非均勻光纖 (漸變型光纖)2種。

2.1.1 均勻光纖

光纖纖芯的折射率n1和包層的折射率n2都為常數(shù)，且n1＞n2，在纖芯和包層的交界面處折射率呈階梯型變化，這種光纖稱為均勻光纖，又稱為突變型光纖，其結(jié)構(gòu)見第22頁圖1。

2.1.2 非均勻光纖

光纖纖芯折射率n1隨著半徑的增加而按一定規(guī)律減小，到纖芯與包層交界處為包層的折射率n2。這種光纖稱為非均勻光纖，又稱為漸變型光纖，結(jié)構(gòu)見第22頁圖2。

圖1 均勻光纖的結(jié)構(gòu)

圖2 非均勻光纖的結(jié)構(gòu)

2.2 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射

攜帶信息的光波在光纖中傳輸時(shí)，能量是集中在纖芯中向前傳輸，不希望包層中有能量。光波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其軌跡是一條直線，而當(dāng)遇到2種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。光射線在纖芯和包層的交界處，即相當(dāng)于光射線遇到了2種不同介質(zhì)的交界面。

如圖3所示，有2個半無限大介質(zhì)，x=0的平面為兩介質(zhì)的交界面，x軸為界面的法線。

圖3 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射

光射線在界面上發(fā)生反射和折射時(shí)遵循反射定律和折射定律。

反射定律的內(nèi)容：反射線在入射線和法線所決定的平面內(nèi)；反射線和入射線分居在法線兩側(cè)；反射角等于入射角。

折射定律的內(nèi)容：折射線在入射線和法線所決定的平面內(nèi)；折射線和入射線分居在法線兩側(cè)；入射角的正弦跟折射角的正弦之比，對于給定的2種介質(zhì)來說是一個常數(shù)，即：

反射定律確定了反射角和入射角的關(guān)系，折射定律確定了折射角和入射角之間的關(guān)系。這2個定律十分重要，在分析光射線在介質(zhì)中傳播時(shí)經(jīng)常用到。

現(xiàn)設(shè)介質(zhì)Ⅰ中的折射率為n1，介質(zhì)Ⅱ中的折射率為n2，且n1＞n2，則光射線相當(dāng)于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，這時(shí)的折射線將離開法線而折射，即折射角θ2必大于入射角θ1。當(dāng)入射角θ1增加到某一值時(shí)，可使得θ2=90°，這時(shí)折射線將沿界面?zhèn)鬏?，我們把此時(shí)的入射角稱為臨界角，用θc表示。根據(jù)折射定律可得出：這時(shí)如果再繼續(xù)增大入射角，即θ1＞θc，則折射角θ2必大于90°，光射線不再進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ，而由界面全部反射回介質(zhì)Ⅰ，這種現(xiàn)象稱為全反射。由此可得出產(chǎn)生全反射的條件是：n1＞n2；90°＞θ1＞θc。

2.3 均勻光纖的導(dǎo)光原理

在均勻光纖中纖芯的折射率n1為一常數(shù)，光射線在纖芯中相當(dāng)于是在一均勻介質(zhì)中傳輸。

如圖4所示，要使得光射線全部集中在纖芯中，則射線投射到纖芯和包層交界面時(shí)，必須滿足全反射條件而產(chǎn)生全反射。

圖4 均勻光纖的導(dǎo)光原理

由此可得出結(jié)論：均勻光纖靠全反射原理將光波限制在纖芯中向前傳播。光射線在纖芯中的行進(jìn)軌跡是一條直線，按鋸齒形向前傳輸。

2.4 非均勻光纖的導(dǎo)光原理

非均勻光纖纖芯中的折射指數(shù)n1沿半徑r方向是變化的，隨r的增加而按一定規(guī)律減小，即n1是r的函數(shù)。

在軸線處，折射指數(shù)最大，即n1（0） =nmax；而在纖芯與包層的交界處，折射指數(shù)最小，即n1（a）=n2。這樣，可根據(jù)n1（r）的不同，將纖芯分成若干層，如圖5所示。

圖5 非均勻光纖的導(dǎo)光原理

設(shè)有一條射線以入射角φ射向端面A點(diǎn)，進(jìn)入纖芯后，由于纖芯中的折射指數(shù)是從nmax→n2(由大變小)，因此光射線相當(dāng)于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，此時(shí)射線應(yīng)離開法線而折射，而纖芯中各層的法線都是垂直于界面的，因此光射線應(yīng)有如圖5所示的軌跡。當(dāng)?shù)竭_(dá)rm后，射線幾乎與軸線平行，而后又由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，光射線又將變?yōu)榭拷ň€而折射，這樣即形成一條按周期變化的曲線。

由此可得出結(jié)論：在非均勻光纖中，是靠光的折射原理將光射線集中在纖芯中，光射線的軌跡不再是直線，而是一條由折射形成的曲線，不同軌跡的折射曲線又和軸相交，向前傳輸。

3 光纖的傳輸損耗

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖每單位長度的損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短。

形成光纖損耗的原因很多，有來自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的耦合損耗以及光纖之間的連接損耗。

光纖本身損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗2類。

①吸收損耗是光波通過光纖的材料時(shí)有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)。對于超高純度的石英光纖來說，在1.55 μm附近有損耗的最低點(diǎn)。

②散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射。由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。

Light Rays Transmission in the Optical Fiber

Wang Yingwu

This article introduced the transmission theory of light rays in the optical fiber， the fiber optical principle and the transmission loss of the electromagnetic waves.

electromagnetic wave；optical principles；transmission loss

TN929.11

A

1000-4866（2010）04-0021-03

王應(yīng)吾，男，徐州師范大學(xué)（物理系）畢業(yè)，理學(xué)學(xué)士，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)通信公司工作，高級工程師。

2010-08-04

2010-08-24