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光导纤维的原理及应用

廖浚竹

物理学2015级

摘要：介绍了阶跃型和梯度型光导纤维内光线传输原理，光导纤维的优良特

性和在各个领域的广泛应用。

关键词：光导纤维、全反射、自聚焦、光纤应用

引言：

光导纤维的研制成功使人类的通迅技术得到了前所未有的发展，自从1977

年美国加利福尼亚洲通用电话公司安装第一套光纤通讯系统以后，发展十分迅猛，

至今已普遍使用。于当今信息爆炸的世界，人们对提高无线电波传递信息容量给

予了极大的关注，光纤通信就是这一征程上的重大里程碑。

近年来，随着现代科学技术的迅猛发展，光导纤维不仅在通信、电子和电力

等领域的应用日益扩展，而且在医学检测、太阳光照明、制作传感器等方面也有

了重要突破，成为大有前途的新型基础材料。

1、阶跃型（全反射型）光导纤维光线传输原理

1.1全反射

光由光密介质进入光疏介质时，即n2n1时，折射光线将远离法线。随着入

射角θ1的增大，折射角θ2增加很快，当入射角θ1增加到θc时，折射线延表

面进行，即折射角为90°，该入射角θc称为临界角。若入射角大于临界角，

则只有反射没有折射，此现象称为全反射(图1)。当光线由光疏媒介射到光密媒

介时，折射光线将靠近法线而折射，故这时不会发生全反射。

临界角：θc=arc(n1/n2)

图1

1.2光导纤维

⑴基本结构

光纤的内层是纯玻璃光芯,外包折射率低于玻璃折射率的掺杂物(包层)。内

芯是光传播的部分,包层与纤芯折射率的差别就是为了使光发生全内反射。大部

分的光纤在包层外还有一层涂覆层,它一般是一层或几层聚合物,防止纤芯和包

层受到震荡而影响光学或物理性质。涂覆层对在光纤里传播的光没有影响,它只

是作为一个减震器。

⑵基本原理

光导纤维就是利用全反射规律使光线沿着曲线传播的光学元件。图2显示了

光在光纤里的传播特性。入射进光纤中的光，当入射角大于临界角时,光在纤芯

与包层之间界面上发生全反射,因为入射角等于反射角,反射光再次被反射,光将

被光纤以锯齿形传播。但如果入射角小于临界角,光被折射进入包层,包层不是作

为光的载体进入包层的光很快被吸收。

图2.全反射型光纤中的光纤轨迹

2、梯度型（自聚焦型）光导纤维光纤传输原理

梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向着径向逐渐减小。因此，入

射光线进人光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输，光束在梯

度型光导纤维中传播时，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，如图3

所示。故梯度型光导纤维又称聚焦型光导纤维。

.

图3.自聚焦型光纤中的光线轨迹

3、光导纤维的优良特性

(1)光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。基于这一特点,我们可在同一光纤

通道上,同时传输许多路的信息,也不会相互干扰。

(2)衰减小，无中继段长可达几十到100多公里,铜线只有几百米。基于这一特点,

我们可将网络延伸到很远的空间。

(3)保真度高，因为不需要中继放大，不会因为放大引来新的非线性失真。

(4)不受电磁场和电磁辐射的影响。这样一来,信息传输的可靠性提高了很多。

(5)重量轻,体积小。

(6)光纤通讯不带电,使用安全,可用于易燃、易爆场所。

(7)使用环境温度范围宽。

⑻耐化学腐蚀,使用寿命长。

⑼成本不断下降。制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本

还会进一步降低。

⑽噪声小。在传输信息容量非常大时，光导纤维也不会发出大的噪音。

正是由于光纤的这些优良特性,使得光纤在网络和通信中的应用越来越广泛。

4、光导纤维的应用

高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于

医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高

分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照

明调节、光学传感器等。

4.1通信应用

光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条3．3公里的120路光缆

通信系统在北京建成，几年后上海、天