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光纤的结构及基本性质

作者:编辑 徐云鑫 出处:厦门市光电工程技术研究中心 发布时间:2008-12-29 点击:2118 我要评论 评论条数:0

    单根光纤一般由芯层、包层、涂敷层和保护套层构成。设芯层直径为2a,包层直径为2b,芯层折射率n1稍大于包层的折射率n2。光纤的芯径(2a)非常小,光通信用的光纤其包层直径标准值为125μm

1 光纤结构图

有的光纤具有多个包层,结构更复杂,以满足使用中不同的要求。

光纤的芯层和包层构成一波导结构,当入射到光纤中的光波满足一定入射条件时,光波就能被约束在芯层中并沿着纤芯向前传播。

目前,在光通信中使用的是二氧化硅石英系光纤,此种材料在850nm波长上的折射率为1.458。为获得两种具有相似特性,而折射率只有很小差异的材料,已形成光纤的芯层和包层,可在二氧化硅中掺杂微量的其他材料以提高光纤芯层折射率和降低包层折射率。

光纤芯层的主体材料为高纯度的二氧化硅,其纯度要达到99.99999%,同时掺杂微量的其他材料,有利于提高光纤芯层的折射率。

光纤包层的主体材料也是高纯SiO2,掺杂微量的其他材料。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率,从而获得n1n2,以满足构成圆柱介质光波导对光纤芯层和包层折射率大小的要求。

光纤按材料分类可分六类:高纯度熔石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、红外光纤、液芯光纤、晶体光纤。

按折射率分布形状可分两类:阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤。

按光纤中传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤。对于通信用的单模和多模光纤的包层直径标准值均为125μm

有光学原理可知,当光波由一种介质入射到另一种介质时,在两种介质的分解面处将产生反射和折射,通过界面进入第二种介质的光线,称为折射光纤;反射回第一种介质的光纤,称为反射光线。设这两种均匀介质的折射率分别为n1n2,当光束由n1介质以较小的入射角φ1入射到介质界面上时,部分光产生折射进入n2介质,部分光反射回n1介质。由Snell折射定律得

sinφ1/sinφ2=n1/n2

入射角与折射角正弦之比等于第二种介质与第一种介质的折射率之比。当n1n2时,即光线由光密介质射向光疏介质,则有:sinφ1/sinφ2= n1/ n21.sinφ11n1/ n2时,会有sinφ21的结果,这是没有意义的。不可能求出任何实数的折射角。也就是说,此时,第二种介质中没有折射光存在,所有入射光在分界面处被完全反射回第一种介质中,这种现象称为全反射。当入射角满足sinφ1= n1/ n2时,入射角记为φc并称为临界角,相应的折射角φ2=90°,此时为掠入角。因此,临界角φc可由下式求得

φc=arcsin(n1/n2)

由以上分析可以看出,光线在两介质界面处发生全反射的条件有两个:

一、光线必须由密介质(即折射率高的介质)入射到光疏介质(即折射率低的介质);

二.入射角φ1必须大于其临界角φc,即产生全反射的条件是:n1n2φcφ190°。

以光在均匀光纤中传播为例,并根据射线理论进一步分析多模光纤的传输原理和导光条件,光线中传播的光射线有两种:子午光线和斜光线。子午光线是指在通过光纤中心轴线的平面(称子午面)内传输的光线。

均匀光纤的数值孔径(NANumerical Aperture)是指子午光线在光纤内全反射并形成导波时,在光纤端面上入射光线的入射角变化范围的大小,是衡量一根光纤当光线在其端面射入时,所能接收到的光能大小的一个重要参数,或者说数值孔径是反映光纤捕捉光线(或集光)能力大小的一个参数。当光纤的数值孔径变大时,最大入射角θmax也增大,其“集光”本领也增强。

 

 

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