光纤特性及分类：NA、散射损耗、色散、多模和单模

1）光纤的特性

（1）数值孔径NA

由式（9.1）可导出光线由折射率为n0的外界介质（空气n0＝1）射入纤芯时实现全反射的临界角为

式中，NA称为数值孔径，它表示无论光源功率多大，只有2θc角内的光，才能被光纤接收和全反射传播。2θc的大小表示光纤能接收光的范围，2θc越大，光纤入射端的端面上接收光的范围越大，进入光纤的光线越多。所以，NA是衡量光纤集光性能的主要参数，光纤产品通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA＝0.2～0.4。

（2）损　耗

设光纤入射端与出射端的光功率分别是Pi和Po，光纤长度为L（km），则光纤的损耗a（dB/km）可表示为

引起光纤损耗的因素有吸收损耗和散射损耗。物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。光纤对不同波长光的吸收率不同，石英光纤材料SiO2对光的吸收发生在波长为0.16 μm附近和8～12 μm范围。散射损耗是由光纤材料不均匀或几何尺寸的缺陷引起的，如瑞利散射就是由材料缺陷引起折射率随机性变化所致。瑞利散射按1/λ4变化，因此它随波长的减小而急剧地增加。光导纤维的弯曲也会造成散射损耗，这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输所致，弯曲半径越小，造成损耗越大。

（3）色　散

所谓光纤的色散是指输入的光脉冲在光纤内传输时，由于光波的群速度不同而出现脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽，它是表征光纤传输特性的一个重要参数。光纤色散可分为材料色散、波导色散、多模色散，在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。

2）光纤的分类(www.xing528.com)

根据光纤的折射率的分布，光纤可分为阶跃型和梯度型两类。

（1）阶跃型

阶跃光纤的纤芯折射率不随半径而变，但在纤芯与包层界面处折射率有突变，呈台阶状。如图9.4所示，在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线（光的射线在一个平面内运动的光线称为子午光线）呈锯齿形轨迹。

图9.4　阶跃型光纤折射率分布曲线

（2）梯度型

梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数，而是从中心向外呈抛物线形递减，至界面处与包层折射率一致，中心轴线处的折射率最大。因此，这类光纤有聚焦作用，光线在纤芯内传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图9.5所示。梯度型光纤又称为自聚焦光纤。

图9.5　梯度型光纤折射率分布曲线

两种光纤传输模的总数N可表示为

由式（9.6）知，归一化频率f大的光纤传输的模数多，称之为多模光纤，通常纤芯直径较粗（几十微米以上），能传播几百个以上的模；而纤芯很细（5～10 μm），只能传输一个模（基模）的光纤，称之为单模光纤。单模光纤纤芯直径接近波长，常用于光纤传感器，其传输性能好，频带很宽，具有较好的线性，但因纤芯小，制造和耦合难度大。多模光纤纤芯直径远大于光的波长，这类光纤性能较差，带宽较窄，但由于纤芯的截面面积大，使得它容易制造，连接耦合比较方便。