光射线在光纤中的传输

王应吾

光射线在光纤中的传输

王应吾

对光射线在光纤中的传输原理、光纤的导光原理以及光波在光纤中的传输损耗进行了理论探讨。

电磁波；导光原理；传输损耗

光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式。由于光纤通信具有传输频宽带，通信容量大，损耗低，不受电磁干扰等一系列优点，因此光纤通信技术近年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说这种新兴技术是世界新技术革命的重要标志，又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。

1 光是某一波段的电磁波

式（1） 中εr为介质的相对介电系数，μr为相对磁导率。

另外，光在透明介质里的传播速度V小于真空中的速度C。C与V的比值是该透明介质的折射率，即：

既然光是电磁波，将式（1） 和式（2） 相比较便可得知：

式（3） 把光学和电磁学这两个不同领域中的物理量联系起来了。

光纤通信与电通信的主要差异有两点：一是光纤通信传输的是光波信号；二是传输光信号的介质是利用光纤。

根据光的电磁理论，人们已经知道光波是电磁波；又经人们对电磁波的研究，发现光波的波长在微米级，频率为1014Hz～1015Hz数量级。

根据电磁波谱可知，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.8 μm～1.8 μm，可分为短波长波段和长波长波段。短波长波段指波长为0.85 μm，长波长波段指 1.31 μm 和 1.55 μm。这是目前光纤通信所采用的3个实用通信窗口，即3个实用的低损耗波长点。

2 光纤的导光原理

2.1 均匀光纤和非均匀光纤

按照折射率分布的不同通常可把光纤分为均匀光纤 (突变型光纤)和非均匀光纤 (渐变型光纤)2种。

2.1.1 均匀光纤

光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为常数，且n1＞n2，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤称为均匀光纤，又称为突变型光纤，其结构见第22页图1。

2.1.2 非均匀光纤

光纤纤芯折射率n1随着半径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2。这种光纤称为非均匀光纤，又称为渐变型光纤，结构见第22页图2。

图1 均匀光纤的结构

图2 非均匀光纤的结构

2.2 光波在两介质交界面的反射和折射

携带信息的光波在光纤中传输时，能量是集中在纤芯中向前传输，不希望包层中有能量。光波在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，而当遇到2种介质交界面时，将发生反射和折射现象。光射线在纤芯和包层的交界处，即相当于光射线遇到了2种不同介质的交界面。

如图3所示，有2个半无限大介质，x=0的平面为两介质的交界面，x轴为界面的法线。

图3 光波在两介质交界面的反射和折射

光射线在界面上发生反射和折射时遵循反射定律和折射定律。

反射定律的内容：反射线在入射线和法线所决定的平面内；反射线和入射线分居在法线两侧；反射角等于入射角。

折射定律的内容：折射线在入射线和法线所决定的平面内；折射线和入射线分居在法线两侧；入射角的正弦跟折射角的正弦之比，对于给定的2种介质来说是一个常数，即：

反射定律确定了反射角和入射角的关系，折射定律确定了折射角和入射角之间的关系。这2个定律十分重要，在分析光射线在介质中传播时经常用到。

现设介质Ⅰ中的折射率为n1，介质Ⅱ中的折射率为n2，且n1＞n2，则光射线相当于是从光密介质射向光疏介质，这时的折射线将离开法线而折射，即折射角θ2必大于入射角θ1。当入射角θ1增加到某一值时，可使得θ2=90°，这时折射线将沿界面传输，我们把此时的入射角称为临界角，用θc表示。根据折射定律可得出：这时如果再继续增大入射角，即θ1＞θc，则折射角θ2必大于90°，光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。由此可得出产生全反射的条件是：n1＞n2；90°＞θ1＞θc。

2.3 均匀光纤的导光原理

在均匀光纤中纤芯的折射率n1为一常数，光射线在纤芯中相当于是在一均匀介质中传输。

如图4所示，要使得光射线全部集中在纤芯中，则射线投射到纤芯和包层交界面时，必须满足全反射条件而产生全反射。

图4 均匀光纤的导光原理

由此可得出结论：均匀光纤靠全反射原理将光波限制在纤芯中向前传播。光射线在纤芯中的行进轨迹是一条直线，按锯齿形向前传输。

2.4 非均匀光纤的导光原理

非均匀光纤纤芯中的折射指数n1沿半径r方向是变化的，随r的增加而按一定规律减小，即n1是r的函数。

在轴线处，折射指数最大，即n1（0） =nmax；而在纤芯与包层的交界处，折射指数最小，即n1（a）=n2。这样，可根据n1（r）的不同，将纤芯分成若干层，如图5所示。

图5 非均匀光纤的导光原理

设有一条射线以入射角φ射向端面A点，进入纤芯后，由于纤芯中的折射指数是从nmax→n2(由大变小)，因此光射线相当于是从光密介质射向光疏介质，此时射线应离开法线而折射，而纤芯中各层的法线都是垂直于界面的，因此光射线应有如图5所示的轨迹。当到达rm后，射线几乎与轴线平行，而后又由光疏介质射向光密介质，光射线又将变为靠近法线而折射，这样即形成一条按周期变化的曲线。

由此可得出结论：在非均匀光纤中，是靠光的折射原理将光射线集中在纤芯中，光射线的轨迹不再是直线，而是一条由折射形成的曲线，不同轨迹的折射曲线又和轴相交，向前传输。

3 光纤的传输损耗

光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。

形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。

光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗2类。

①吸收损耗是光波通过光纤的材料时有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关。对于超高纯度的石英光纤来说，在1.55 μm附近有损耗的最低点。

②散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射。由此产生的损耗为散射损耗。

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

王应吾，男，徐州师范大学（物理系）毕业，理学学士，现在大同煤矿集团通信公司工作，高级工程师。

2010-08-04

2010-08-24