ZY3200202002 光纤的导光原理.doc

第二章 光纤结构与特性 模块2 光纤的导光原理（ZY3200202002） 【模块描述】本模块包含光纤的导光原理。通过对光的全反射、折射、反射、偏振、色散的介绍，掌握全反射原理以及影响光传播速度的因素。 【正文】 一、全反射原理 射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳定律。光在分层介质中的传播如图-1所示。图中介质1的折射率为,介质2的折射率为，设。当光线以较小的入射到介质界面时，部分光进入介质2并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。图-1 光的反射与折射 由菲涅耳定律可知反射定律 (公式ZY3200202002-1) 折射定律 (公式ZY3200202002-2) 在时，逐渐增大，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，直到趋于。此时，进入介质2的光强减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当极限值时，相应的角定义为临界角所以临界角 （-3）当时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即时，在界面上才能产生全反射。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上全反射，使光线限制在纤芯中传输。 光在阶跃型光纤中是按“之”形的传播轨迹，如图-2所示纤芯折射率为，包层的折射率为，且，空气折射率为。内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角时，进入纤芯的光线将会在界面产生全反射而向前传播，而入射角的光线将进入包层损失掉。因此，入射角最大值确定了光纤的接收锥半角。是个很重要的参数，它与光纤的折射率有关。图-2 光在阶跃光纤中的传播 根据菲涅耳定律， (公式ZY3200202002-4) 定义为光纤的数值孔径，用表示。在空气中的折射率，因此，对于一根光纤其数值孔径为(公式ZY3200202002-5) 纤芯和包层的相对折射率差，定义为 (公式ZY3200202002-6) 则光纤的数值孔径可以表示为(公式ZY3200202002-7) 光纤的数值孔径是表示光纤特性的重要参数，的物理意义是能使光在光纤内以全反射形式进行传播的最大接收角的正弦值。数值孔径仅决定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。 图ZY3200202002-3显示了渐变型光纤可以实现自聚焦。 图-3 光在渐变光纤中的传播 3．光在单模光纤中的传播 光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图ZY3200202002-4所示。这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。 图-4 光在单模光纤中的传播轨迹 【思考与练习】 1．简述全反射原理的基本内容。 2．什么是阶跃型光纤数值孔径