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光纤基础知识

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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。

　　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。

　　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。

光线的结构

光在光纤中的传播

　　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。

　　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

光纤的数值孔径

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。

　　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。

　　光波也有干涉性。如图（b）所示

的①和②’这两束以相同方向行进的波，

如果它们的相位一致，则这两束波相互

加强，就可以一直传播下去；如若这两

光纤的传播模式

光在光纤中的干涉

束波的相位不一致，与图中所画的相位相反，则它们就彼此削弱，直至最后消失。如此看

来，只有以某些特定角度射入芯包交界面的波才能相互得到加强，继续传播至远方。也就

是说，光线与芯包交界面的角度为某些特定值的光波才不会被削弱，而形成一组一组的传

输波，这被称为传播模式。依据光线与交界面间的夹角由小至大，分别称这些传播模式为

0 次模（基模）、一次模、二次模……

　　由以上的分析可以得出以下几个结论。

　　①并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种光纤都只允许某些特定的光波通过，

而其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光

纤的一个模式。

　　②在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，其受

到光纤的衰减也不同，观察与光纤垂直的横截面，就会看到，不同模式的光波在横截面上

的光的强度分布图形也不同，有的是一个亮斑，有的分裂为几个亮点。

　　③进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而

入射角小于临界角的光就有一部分进入包层，被很快衰减掉。前者的传输损耗小，能作远

距离传输，称为传导模。

　　④能满足全反射条件的光线也只是具有特定角度的部分才能在光纤中传输，因此，不

同模式的光的传输方向不是连续改变的。当通过一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的

光所走的路径也不同。沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线交角大的光所走的路径

则较长。

4、为什么衰减

　　造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

　　本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

　　弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。

　　挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

　　杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

　　不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

　　对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于 0.8μm)，端面与

轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

　　当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光

纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通

过。这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。

5、光纤损耗的分类

　　光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。

具体细分如下：

　　光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗。

　　固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。

　　附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

　　其中，附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要将

光纤一根接一根地接起来，光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引

起损耗。这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中

的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。下面，我们只讨论光纤的固有损耗。

　　固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波

长下引起的固有损耗也不同。搞清楚产生损耗的机理，定量地分析各种因素引起的损耗的

大小，对于研制低损耗光纤，合理使用光纤有着极其重要的意义。

6、材料的吸收损耗

　　制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，

而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。

　　我们知道，物质是由原子、分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以

一定的轨道围绕原子核旋转。这就像我们生活的地球以及金星、火星等行星都围绕太阳旋

转一样，每一个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一轨道都有一个确定

的能级。距原子核近的轨道能级较低，距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间的这种能

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