光纤基础知识

1、光纤的结构
　　光纤为什么会像金属导线那样能够传输信号呢？在这里首先我们要清楚光纤到底是什么东西。光纤为光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护,其中纤芯的芯径一般为50或62.5μm，包层直径一般为125μm。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。

光线的结构
　　现在所说的通信光纤，是由纤芯和包层两部分组成的，如图所示。纤芯区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度，目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，但两区域中掺杂情况不同，因而折射率也不同。纤芯的折射率一般是1.463～1.467（根据光纤的种类而异），包层的折射率是1.45～1.46左右。也就是说，纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。这就满足了全反射的一个条件。当纤芯内的光线入射到纤芯与包层的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在纤芯内发生全反射，光就会全部由交界面偏向中心。当碰到对面交界面时，又全反射回来，如图(a)所示：光纤中的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层中去。

光在光纤中的传播
　　当光纤弯曲时，光线是否还能沿光纤传播呢？因为任何通信线路都不可能完全笔直。回答是肯定的。当光纤拐弯时，如图（b）所示，只要弯曲不十分厉害，光也不会折射到包层中去，仍然会全反射回来，只是来回反射的次数增多了。弯曲给光纤带来的光能损耗是很小的，例如把1km光纤绕在直径约10cm的圆筒上，所增加的光能损耗只有万分之几，可以忽略不计。
　　对电信号来说，只要把放大器的输出端与传输线连接起来，电信号就被送入线路中。而对光通信来说，情况就比较复杂了。光源发出的光照射在光纤端面上，照射在光纤端面上的光的一部分是不能进入光纤的，如其中的一部分从光纤端面反射掉了。能进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传播，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发生全反射而传到远方。
　　当光线从空气中以某一入射角射入光纤端面时，由于空气折射率约为1，而石英光纤的折射率约为1.5。此时，光是从低折射率介质向高折射率介质传播，因此，在此种情况下，入射角总是大于折射角。光在光纤端面的反射很小，在此不予考虑。
　　当光线以某一角度射入纤维端面时，入射光线与纤维轴心线之间有一夹角，称为纤维端面入射角。光线折射进入光纤芯子后，继续入射到纤芯与包层之间的交界面上。当射入纤芯和包层交界面的光线的角度合适时，就可以产生全反射。否则光线就可能进入包层，这是人们不希望的。所以，进入光纤中的光必须以一定的角度范围入射，如果超过此范围，则会有一部分光线进入了包层，而跑到光纤外面去了。
2、光纤的数值孔径
　　入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。
　　在光学中，数值孔径是表示光学透镜性能的参数之一。用放大镜把太阳光汇聚起来，能点燃纸张就是一个典型例子。若平行光线照射在透镜上，并经过透镜聚焦于焦点处时，假设从焦点到透镜边缘的仰角为θ，则取其正弦值，称之为该透镜的数值孔径，如图所示，记作NA＝sinθ。

光纤的数值孔径
　　在光纤中，把受光角的一半（θmax）的正弦定义为光纤的数值孔径，即

　　NA ＝ sinθmax
　　光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯－包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光。
3、光纤的传播模式
　　简单他说，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。当光纤的芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。如图所示，以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。其中，模次较低的模为低次模，如二次模；模次较高的模为高次模。

光纤的传播模式
　　当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。
　　大家知道，光也是电磁波。从波的角度考虑，光纤纤芯内传输的光可以用细水路中行进的水波来类比：纤芯为细水路，包层为细水路的壁，箭头代表波的行进方向，如图（a）所示。这条细水路中的水波状态可以用图（b）所示的模式化图形来表示。在纤芯内，存在着许多沿不同方向传输的光射线，这里暂且只考虑类似水路中的①和②两束波，它们以相同的入射角进入光纤，以相同的角度向纤芯－包层交界面行进。当光线②行进到交界面时，将产生反射，形成反射波，为②’。很明显，①和②”就成为以相同方向行进的波。波有干涉性。当振幅相同、频率也相同的两个波相遇时，干涉波的强度是各波强度的叠加。如果这两个波的相位相同，波峰和波峰、波谷和波谷都一致，则强度加强；如果这两个波的相位相反，波峰对着波谷，则强度相互抵消为0。