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一、光纖的結構與類型及其傳光原理 1.光纖的結構與類型

        光纖(OpticFiber)是光導纖維的簡稱，它能夠將進入光纖一端的光線傳送到光纖的另一端。光纖是一種多層介質結構的對稱柱體光學纖維，它一般由纖芯、包層、涂覆層與護套層構成，如圖5-1所示。

圖5-1     光纖結構示意圖

       纖芯與包層是光纖的主體，對光波的傳播起著決定性作用。纖芯多為石英玻璃，直徑一般為5?75μm,材料主體為二氧化硅，其中摻雜其他微量元素，以提高纖芯的折射率。包層直徑很小，一般為100?200μm,其材料主體也為二氧化硅，但折射率略低于纖芯。涂覆層的材料一般為硅酮或丙烯酸鹽，主要用于隔離雜光。護套的材料一般為尼龍或其他有機材料，用于提高光纖的機械強度，保護光纖。一般，沒有涂覆層和護套的光纖，則稱為裸纖。

        光纖的種類很多，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類。一般，有以下四種分類。 

       (1)按光纖材料可分七種：石英系光纖、多組分玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖、液芯光纖、晶體光纖、紅外材料光纖。

       (2)按光纖橫截面上折射率的分布可分二類：階躍型(突變型)光纖、梯度型(自聚焦或漸變型)光纖。

階躍光纖及其纖芯折射率徑向分布如圖5-2(a)所示，在纖芯和包層兩種介質內(nèi)部，折射率均勻分布，即加、均為常數(shù)，因此在纖芯與包層的分界處折射率產(chǎn)生階躍變化。梯度光纖的纖芯折射率沿徑向呈非線性規(guī)律遞減，故亦稱漸變折射率光纖。圖5-2(b)為一種常見的梯度光纖及其折射率徑向分布。

圖5-2    光纖纖芯折射率徑向分布示意圖

       (3)按傳輸模式多少可分二類：單模光纖與多模光纖，其示意圖如圖5-3所示。光纖中傳播的模式就是光纖中存在的電磁場場形或者光場場形(HE)。其各種場形，都是光波導中經(jīng)過多次的反射和干涉的結果，而各種模式是離散的。由于駐波才能在光纖中穩(wěn)定的存在，它的存在反映在光纖橫截面上就是各種形狀的光場，即各種光斑。如果是一個光斑，我們稱這種光纖為單模光纖(SingleMode),它只傳輸主模，也就是說光線只沿光纖的內(nèi)芯進行傳輸。由于單模光纖完全避免了模式色散，從而使得它的傳輸頻帶很寬，因而適用于大容量、長距離的光纖通信。一般，單模光纖使用的光波長為1310nm或1550nm0圖5-3所示的單模光纖光線軌跡圖。

圖5-3單模與多模guangqian光纖示意圖

若為兩個以上光斑，我們稱它為多模光纖(MultiMode),即它有多個模式在光纖中傳輸。由于色散或像差的關系，這種光纖的傳輸性能較差，頻帶比較窄，傳輸容量也比較小，所以傳輸距離比較短。如圖5-3所示的多模光纖光線軌跡圖。

       (4)按光纖工作波長可分三種：0.8?0.9呻的短波長光纖、1-1.7gm的長波長光纖、2gm以上的超長波長光纖。

       由于光纖的材料與制造工藝的不同，使光在光纖中傳輸時會有一定的衰減，其衰減量一般用dB/km表示。而不同波長的光，在光纖中傳播時造成的衰減是不一樣的。光波長與傳輸損耗的關系如圖5-4所示，由圖可知，在以納米(nm)表示波長的一些特定點上，其光的衰減最小。因此,光纖通信中常用的光波長，一般選用使光衰減量最小的850nm、1300nm及1550nm等波長。

圖5-4  光波波長與傳輸損耗的關系

       對于階躍光纖，由于纖芯與包層的折射率均為常數(shù)，因此光在光纖內(nèi)的傳播途徑為折線，如圖5-5所示。

圖5-5光在光纖內(nèi)的傳播

假設纖芯的折射率為n1,包層的折射率為n2,由折射定律可知，在纖芯與包層分界處，入射角θ1與折射角θ2存在如下關系