光射線在光纖中的傳輸

王應吾

光射線在光纖中的傳輸

王應吾

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

電磁波；導光原理；傳輸損耗

光纖是光導纖維的簡稱。光纖通信是以光波為載頻，以光導纖維為傳輸介質的一種通信方式。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點，因此光纖通信技術近年來發展速度之快，應用面之廣是通信史上罕見的。可以說這種新興技術是世界新技術革命的重要標志，又是未來信息社會中各種信息網的主要傳輸工具。

1 光是某一波段的電磁波

式（1） 中εr為介質的相對介電系數，μr為相對磁導率。

另外，光在透明介質里的傳播速度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） 把光學和電磁學這兩個不同領域中的物理量聯系起來了。

光纖通信與電通信的主要差異有兩點：一是光纖通信傳輸的是光波信號；二是傳輸光信號的介質是利用光纖。

根據光的電磁理論，人們已經知道光波是電磁波；又經人們對電磁波的研究，發現光波的波長在微米級，頻率為1014Hz～1015Hz數量級。

根據電磁波譜可知，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內，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個實用通信窗口，即3個實用的低損耗波長點。

2 光纖的導光原理

2.1 均勻光纖和非均勻光纖

按照折射率分布的不同通常可把光纖分為均勻光纖 (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，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，其結構見第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，結構見第22頁圖2。

圖1 均勻光纖的結構

圖2 非均勻光纖的結構

2.2 光波在兩介質交界面的反射和折射

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

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

圖3 光波在兩介質交界面的反射和折射

光射線在界面上發生反射和折射時遵循反射定律和折射定律。

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

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

反射定律確定了反射角和入射角的關系，折射定律確定了折射角和入射角之間的關系。這2個定律十分重要，在分析光射線在介質中傳播時經常用到。

現設介質Ⅰ中的折射率為n1，介質Ⅱ中的折射率為n2，且n1＞n2，則光射線相當于是從光密介質射向光疏介質，這時的折射線將離開法線而折射，即折射角θ2必大于入射角θ1。當入射角θ1增加到某一值時，可使得θ2=90°，這時折射線將沿界面傳輸，我們把此時的入射角稱為臨界角，用θc表示。根據折射定律可得出：這時如果再繼續增大入射角，即θ1＞θc，則折射角θ2必大于90°，光射線不再進入介質Ⅱ，而由界面全部反射回介質Ⅰ，這種現象稱為全反射。由此可得出產生全反射的條件是：n1＞n2；90°＞θ1＞θc。

2.3 均勻光纖的導光原理

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

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，必須滿足全反射條件而產生全反射。

圖4 均勻光纖的導光原理

由此可得出結論：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軌跡是一條直線，按鋸齒形向前傳輸。

2.4 非均勻光纖的導光原理

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

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

圖5 非均勻光纖的導光原理

設有一條射線以入射角φ射向端面A點，進入纖芯后，由于纖芯中的折射指數是從nmax→n2(由大變小)，因此光射線相當于是從光密介質射向光疏介質，此時射線應離開法線而折射，而纖芯中各層的法線都是垂直于界面的，因此光射線應有如圖5所示的軌跡。當到達rm后，射線幾乎與軸線平行，而后又由光疏介質射向光密介質，光射線又將變為靠近法線而折射，這樣即形成一條按周期變化的曲線。

由此可得出結論：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系到光纖通信系統傳輸距離的長短。

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。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。

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，使光纖中傳導的光發生散射。由此產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

王應吾，男，徐州師范大學（物理系）畢業，理學學士，現在大同煤礦集團通信公司工作，高級工程師。

2010-08-04

2010-08-24