光纤传光原理

光纤的导光原理

光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十

分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的

知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。

为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易

懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为

一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。

1、全反射原理

我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界

面时，会发生反射与折射现象，如图2.5 所示。

不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。

2、光在阶跃光纤中的传播

传播轨迹了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之

形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图2.7 所示。

因此，阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。 需要注意的是，光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差Δ也就越大（见2.3 式），以后就会知道，Δ值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。CCITT建议光纤的NA=0.18～0.23。

3、光在渐变光纤中的传播

① 定性解释 由图2.3 和（2.1）式知道，渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向

的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。假设光纤是由许多同轴的

均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，如图2.8 所示。

光纤的导光原理

光就是一种频率极高的电磁波,而光纤本身就是一种介质波导,因此光在光纤中的传输理论就是十分复杂的。要想全面地了解它,需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者,无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。

为了便于理解,我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理,这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言,由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波瞧作成为一条光线来处理,这正就是几何光学的处理问题的基本出发点。

·5、1 全反射原理

我们知道,当光线在均匀介质中传播时就是以直线方向进行的,但在到达两种不同介质的分界面时,会发生反射与折射现象,如图5-1 所示。

图5-1 光的反射与折射

根据光的反射定律,反射角等于入射角。

根据光的折射定律:

(公式5-1)

其中n1为纤芯的折射率,n2为包成的折射率。

显然,若n1>n2,则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度,则会使折射率,此时的折射率光线不再进入包层,而会在纤芯与包层的分界面上经过(),或者重返回到纤芯中进行传播()。这种现象叫光的全反射现象,如图5-2所示。

图5-2 光的全反射现象

人们把对应于折射角等于90的入射角叫做临界角,很容易可以得到临界角。 不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就就是按这种思路进行设计的。

·5、2光在阶跃光纤中的传播

传播轨迹了解了光的全反射原理之后,不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹,即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,如图5-3 所示。

图5-3 光在阶跃光纤中的传输轨迹

通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。于就是产生了光纤数值孔径NA的概念。

知识点 渐变型光纤导光原理

一、教学目标：

理解渐变型光纤导光原理

二、教学重点、难点：

重点掌握渐变型光纤导光原理和特点。

三、教学过程设计：

1.知识点说明

渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。

2.知识点内容

1）渐变型光纤导光原理

3.知识点讲解

2）讲解什么是渐变型光纤导光原理，图解说明渐变型光纤中的各种模式的光的传输路径。

3）讲解渐变型光纤导光原理在光通信中的应用。

四、课后作业或思考题：

1、渐变型光纤的导光原理是什么？

渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。

四、本节小结

渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。

光纤的发光原理

光纤的发光原理是指在光纤中传播的光信号是如何产生的。

光纤是由一根非常纯净的玻璃或塑料材料制成的细长管道，其内部包裹着一层称为核心的光导体物质。光信号是通过这个光导体物质传播的。

当一个光源（如激光器或发光二极管）向光纤的一端发出光信号时，光信号会被传送到光纤的另一端。在光源发出的光信号进入光纤核心之前，会先经过一个称为耦合部件的元件。耦合部件的作用是将光源发出的光信号耦合（传输）到光纤的核心中。

一旦光信号进入光纤的核心，它会被核心内部的全反射效应所捕获。全反射效应是指光在从密度大的介质传播到密度小的介质时，会被反射回去而不会发生折射的现象。由于光纤核心的折射率不同于周围的包层，因此光信号会在光纤中沿着核心不断地发生多次全反射，从而沿着光纤传播。

在光纤中传输的光信号几乎是不衰减的，这是因为光纤的纯净材料和全反射效应的存在。因此，光信号可以在光纤中长距离地传播，而不会出现明显的信号衰减。

当光信号到达光纤的另一端时，可以通过连接在该端的接收器捕获和解读光信号，并将其转换为相应的电信号或其他形式的能量。

总之，光纤的发光原理是通过一个光源将光信号耦合到光纤的核心中，利用全反射效应使光信号沿着光纤传播，最终到达另一端，并通过接收器转换为不同形式的能量。