阶跃型光纤的导光原理

（江苏省徐州技师学院 江苏 徐州 221151）

光通信，就是利用光进行信息传输的一种通信方式，在这里光波是信息的载体。目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号，这种通信方式称为光纤通信。光导纤维（简称光纤）是光波的传输媒介。那么，光波是如何在光纤中传输的呢？始终困扰着学习者，现代通信的特点是高速率、大容量、综合业务传输，都是通过细细的光纤来传输。下面我们来学习一下阶跃型光纤的光传播。

1.光的反射与折射

光在均匀介质中传播时是以直线方向进行的；光到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。光的反射定律：反射角等于入射角。光的折射定律：

n1sinθ1=n2sinθ2其中：n1为纤芯的折射率，n2为包层的折射率，θ1是入射角，θ2是折射角。

图1 光的反射与折射

阶跃型光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布是各自均匀的，其值分布为n1与n2，在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的（即由n2减小到n1）。光在纤芯中是以直线传输的，光在纤芯与包层分界面处发生反射（反射角θ1）与折射（折射角θ2）。

2.全反射原理

纤芯的折射率大于包层的折射率）（即n1＞n2），光传输到纤芯与包层界面时，发生反射与折射现象，光是由光密介质进入到光疏介质，这时入射角小于折射角（即θ1＜θ2）。当入射角增加，折射角也增加。如果n1与n2的比值增大到一定程度，就会使折射角θ2≥90°，折射光线不再进入包层而在纤芯与包层的分界面上掠过（即θ2=90°），或者光线重返回到纤芯中进行传播（即θ2＞90°）。这种现象叫做光的全反射现象。

图2 光的全反射现象

把对应于折射角θ2=90°的入射角叫做临界角（θc）。从图中我们可以看出来，当入射角大于临界角时，光发生全反射现象，即没有光线进入到包层中，光线基本上全部在纤芯中进行传播，这时不会发生光能量损失，大大降低了光纤的损耗，增加光纤的传输距离。

3.阶跃型光纤的光传播

在学习阶跃型光纤的光传播原理之前，我们先学习子午线和子午面。当一束光线从光纤端面耦合进入光纤时，光纤中会形成两种光射线：子午线和斜射线。光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与中心轴线相交两次，这种光线称为子午线；含光纤中心轴线的平面就称为子午面。当光线在传播过程中的轨迹不在同一个平面内，并不与光纤中心轴相交，这种光线称为斜射线。斜射线分析起来比较抽象，但其基本导光原理同子午线方式相同，所以学习时以子午线的导光原理分析。

明白子午线与子午面之后，在阶跃型光纤的光传播中，要知道有两个界面：界面1是在光纤的左端空气与纤芯的界面，空气的折射率为n0，并且小于纤芯的折射率n1，所以在界面1处，光线是由光疏介质进入到光密介质中，折射角小于入射角。界面2是纤芯与包层的界面，前面已经研究过，其折射角大于入射角。如图3中，入射光①从界面1以入射角фi进入纤芯，发生反射与折射，折射角为θz，光线在纤芯中直线传播到界面2，发生反射与折射，折射进入到包层中的光波发生衰减而损耗掉，反射进入纤芯中的光波能量减弱，光线经过几次反射、折射后，很快就被损耗掉了。入射光②从界面1以入射角ф0进入纤芯，发生反射与折射，折射角为θz0，光线在纤芯中直线传播到界面2，入射角略大于临界角θc，此时光线射向界面2，光线由光密介质射入光疏介质，发生全反射现象，能量全部被反射回纤芯，光波没有进入包层中传播，没有发生能力损耗。这种光线传输的距离最远，当它继续传播再次遇到纤芯与包层的界面时，再次发生全反射，如此反复，光线就能从光纤的一端传播到光纤的另一端。类似像光线②的光波是我们需要的有用的，在界面2处会形成全反射，这样的光线要满足什么样的条件呢，必须фi≤ф0。称ф0为光纤端面的最大入射角，2ф0为光纤端面的最大可接收角。

图3 阶跃型光纤的光传播

由上面的导光原理分析（界面2处），我们可以掌握光波在光纤中传播的全反射条件：（1）光必须由光密介质射向光疏介质（即n1＞n2）；（2）入射角必须大于或等于临界角。