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        階躍型光纖的導(dǎo)光原理

        2020-09-02 01:27:50
        今天 2020年18期
        關(guān)鍵詞:折射角包層纖芯

        (江蘇省徐州技師學(xué)院 江蘇 徐州 221151)

        光通信,就是利用光進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式,在這里光波是信息的載體。目前廣泛使用的光通信方式是利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào),這種通信方式稱為光纖通信。光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)是光波的傳輸媒介。那么,光波是如何在光纖中傳輸?shù)哪??始終困擾著學(xué)習(xí)者,現(xiàn)代通信的特點(diǎn)是高速率、大容量、綜合業(yè)務(wù)傳輸,都是通過細(xì)細(xì)的光纖來傳輸。下面我們來學(xué)習(xí)一下階躍型光纖的光傳播。

        1.光的反射與折射

        光在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)是以直線方向進(jìn)行的;光到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí),會(huì)發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。光的反射定律:反射角等于入射角。光的折射定律:

        n1sinθ1=n2sinθ2其中:n1為纖芯的折射率,n2為包層的折射率,θ1是入射角,θ2是折射角。

        圖1 光的反射與折射

        階躍型光纖是指在纖芯與包層區(qū)域內(nèi),其折射率分布是各自均勻的,其值分布為n1與n2,在纖芯與包層的分界處,其折射率的變化是階躍的(即由n2減小到n1)。光在纖芯中是以直線傳輸?shù)?,光在纖芯與包層分界面處發(fā)生反射(反射角θ1)與折射(折射角θ2)。

        2.全反射原理

        纖芯的折射率大于包層的折射率)(即n1>n2),光傳輸?shù)嚼w芯與包層界面時(shí),發(fā)生反射與折射現(xiàn)象,光是由光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì),這時(shí)入射角小于折射角(即θ1<θ2)。當(dāng)入射角增加,折射角也增加。如果n1與n2的比值增大到一定程度,就會(huì)使折射角θ2≥90°,折射光線不再進(jìn)入包層而在纖芯與包層的分界面上掠過(即θ2=90°),或者光線重返回到纖芯中進(jìn)行傳播(即θ2>90°)。這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象。

        圖2 光的全反射現(xiàn)象

        把對(duì)應(yīng)于折射角θ2=90°的入射角叫做臨界角(θc)。從圖中我們可以看出來,當(dāng)入射角大于臨界角時(shí),光發(fā)生全反射現(xiàn)象,即沒有光線進(jìn)入到包層中,光線基本上全部在纖芯中進(jìn)行傳播,這時(shí)不會(huì)發(fā)生光能量損失,大大降低了光纖的損耗,增加光纖的傳輸距離。

        3.階躍型光纖的光傳播

        在學(xué)習(xí)階躍型光纖的光傳播原理之前,我們先學(xué)習(xí)子午線和子午面。當(dāng)一束光線從光纖端面耦合進(jìn)入光纖時(shí),光纖中會(huì)形成兩種光射線:子午線和斜射線。光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播,并且一個(gè)傳播周期與中心軸線相交兩次,這種光線稱為子午線;含光纖中心軸線的平面就稱為子午面。當(dāng)光線在傳播過程中的軌跡不在同一個(gè)平面內(nèi),并不與光纖中心軸相交,這種光線稱為斜射線。斜射線分析起來比較抽象,但其基本導(dǎo)光原理同子午線方式相同,所以學(xué)習(xí)時(shí)以子午線的導(dǎo)光原理分析。

        明白子午線與子午面之后,在階躍型光纖的光傳播中,要知道有兩個(gè)界面:界面1是在光纖的左端空氣與纖芯的界面,空氣的折射率為n0,并且小于纖芯的折射率n1,所以在界面1處,光線是由光疏介質(zhì)進(jìn)入到光密介質(zhì)中,折射角小于入射角。界面2是纖芯與包層的界面,前面已經(jīng)研究過,其折射角大于入射角。如圖3中,入射光①從界面1以入射角фi進(jìn)入纖芯,發(fā)生反射與折射,折射角為θz,光線在纖芯中直線傳播到界面2,發(fā)生反射與折射,折射進(jìn)入到包層中的光波發(fā)生衰減而損耗掉,反射進(jìn)入纖芯中的光波能量減弱,光線經(jīng)過幾次反射、折射后,很快就被損耗掉了。入射光②從界面1以入射角ф0進(jìn)入纖芯,發(fā)生反射與折射,折射角為θz0,光線在纖芯中直線傳播到界面2,入射角略大于臨界角θc,此時(shí)光線射向界面2,光線由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),發(fā)生全反射現(xiàn)象,能量全部被反射回纖芯,光波沒有進(jìn)入包層中傳播,沒有發(fā)生能力損耗。這種光線傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn),當(dāng)它繼續(xù)傳播再次遇到纖芯與包層的界面時(shí),再次發(fā)生全反射,如此反復(fù),光線就能從光纖的一端傳播到光纖的另一端。類似像光線②的光波是我們需要的有用的,在界面2處會(huì)形成全反射,這樣的光線要滿足什么樣的條件呢,必須фi≤ф0。稱ф0為光纖端面的最大入射角,2ф0為光纖端面的最大可接收角。

        圖3 階躍型光纖的光傳播

        由上面的導(dǎo)光原理分析(界面2處),我們可以掌握光波在光纖中傳播的全反射條件:(1)光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)(即n1>n2);(2)入射角必須大于或等于臨界角。

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