光纤构造与分类：渐变光纤的折射率分布及传播特性

光纤呈圆柱形，组成如图4.1所示。

图4.1　光纤的构造

1.光纤的分类

光纤的分类方法大致有四种。

（1）按折射率分布分类，可分为阶跃光纤与渐变光纤。

阶跃光纤在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图4.2所示。

图4.2　阶跃光纤的折射率分布

其折射率分布的表达式为

渐变光纤：光纤轴心处的折射率最大（n1），在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2。如图4.3所示。

图4.3　渐变光纤的折射率分布

其折射率分布的表达式为

其中，n1为光纤轴心处的折射率；n2为包层区域折射率；a1为纤芯半径。

相对折射率差的公式为

（2）按传播模式分类，可分为多模光纤与单模光纤。

（3）按工作波长分类，可分为短波长光纤与长波长光纤。

（4）按套塑类型分类，可分为紧套光纤与松套光纤。

2.光纤的导光原理

（1）全反射原理

光线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4.4所示。

图4.4　光的反射与折射(www.xing528.com)

n1sinθ1=n2Sinθ2

显然，若n1＞n2，则会有sinθ1＞sinθ2。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射角θ2≥90°，此时的折射光线不再进入包层，把对应于折射角θ2≥90°的入射角叫作临界角。

（2）光在阶跃光纤中的传播

光在阶跃光纤中的传播轨迹如图4.5所示。

图4.5　光在阶跃光纤中的传播轨迹

qc衡量光纤接收光的能力，产生了光纤数值孔径NA的概念。

n0=1，可得：

n0Sinqc=n1Sinq3=n1 Sin（90°-q1）

为保证光在光纤中的全反射，则应有q1=qK，且

于是有：

其中，相对折射率差：

NA取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。

（3）光在渐变光纤中的传播

渐变光纤的折射率分布如图4.6所示。

图4.6　光在渐变光纤中传播的定性解释

由折射定律知，若n1＞n2，则有θ2＞θ1。这样光在每两层的分界面皆会产生折射现象，其传播轨迹类似于由许多线段组成的正弦波。

（4）光在单模光纤中的传播

光在单模光纤中的传播轨迹图4.7所示。

图4.7　光在单模光纤中的传播轨迹