光纤的传输原理及应用
光纤的传输原理及应用
摘 要： 光纤利用全反射原理将信号传输应用于通信系统，具有通
信容量大，速度快等一系列优点。普遍应用于高端科技，
发展前景十分广阔。
关键词： 光纤 全反射 传输 应用
Translation：
光纤裸纤一班分为三层：中心高折射率玻璃芯，中间为低折射率硅玻璃包层，最外式加强用的树脂涂层。
如图a，在一根折射率较高的玻
璃纤维外包一层折射率较低的玻璃
介质，光线经多次全反射可沿着它
从一端传到另一端（当光导纤维细
到一定程度，传光的过程就不能用
几何光学中全反射的概念来描述了，
这是应把它看成是传播电磁波的微型波导。），而且用大量这样的纤维并成一束，光在各条纤维之间不会串通。
如果纤维束的两端各条纤维的排列
顺序严格地对应，则可以利用它来传像。
如图b所示，在这样的纤维束的一个端
面上有一图形，图形上每一点的光线沿
着一根特定的纤维传到另一端面上对应
的点，在这一端就会显现出与原来一样的图形。若能再用其他光学仪器放大，就更便于观察了。这种玻璃纤维束很柔软，可以弯成任意形状，又可以做的很细，它能探入人体腹腔内部以及结构复杂的机器部件中不易达到的部位进行照明或窥视。
光导纤维折射率的分布不一定是内、外截然不同的两层，它也可以是渐变的。这类纤维能使光线向轴线会聚。在这种聚光纤维中光线走的不是折线，而是光滑曲线。光纤中心到玻璃包层的折射率是逐渐
变小，可使高模光按正弦形式传播，这
能减少模间色散，提高光纤带宽，增加
传输距离，但成本较高。现在的多模光
纤多为此类光纤。聚光纤维具有光程短、
光的透过率和分辨率高等一系列优点。
设光线由许多折射率沿径向r减小的薄层组成（见图）：n0>n1>n2>…。按折射定律n1sini1=n2sini2 式，
在各分界面上
n0sini0= n1sini1=n2sini2=…=常量，
或 n0cosθ0=n1cosθ1=n2cosθ2=…=常量， （1.1） 因n0>n1>n2>…，故i0＜i1＜i2 ＜…，θ0>θ1>θ2>…，光线愈接近光纤表面，传播方向愈趋向与其表面平行。在光线到达某一层k时终于其入射角ik>ic（该层的全反射临界角），发生全反射，于是光线的传播转向轴线。这便是渐变折射率光纤的聚焦作用。把折射率看成r的连续函数：n=n(r)，则θ也是r的连续函数：θ=θ(r)，
（1.1）式化为
n(r) cosθ(r) =常量
即
（1.2） 由图可以看出，沿长度方向z：
dr/dz=tanθ
(1.3)
由（1.2）式和（1.3）式知
或
取（1.3）式对z导数：
d2r/dz2=dθ/cos2θdz=n2dn/n02cosθ0ndr
即
d2r/dz2=dn2/2n02cos2θ0dr
入射到光纤断面的光并不能去不被光纤所传输，只是在某个角度的范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。管线的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。
光纤技术在传输系统中的应用，首先是通过各种不同的光网络来
实现的。进一步从网络的分层模型来说，可以把网络从上到下分成若干层，每层可分为若干子网。也就是说，由各个交换中心及其传输系统构成的网与网还可以继续分化成若干个更小的子网，以便使整个数字网能有效地通信服务，全数字化的综合业务数字网式通讯网的总目标。这些都需要不同类型的光纤担当传输的重任。
此外，光纤色散可以使脉冲展宽而导致误码，色散补偿光纤就是在传输系统那个中用来解决色散管理的一种技术；在石英光纤芯层内掺杂稀土元素就可以制成放大用光纤，放大光纤与传统的石英光纤具有良好的整合性，同时具有高输出、宽带宽、低噪声等许多有点；超连续波是强光脉冲在透明戒指中传输时光谱超宽带现象，采用单模光纤是解决技术课题的有效手段；随着大量光通信网的建设和扩容，应用最多的就是光纤型器件。
总的来说，光纤通信技术的进步式信息社会的需要，是经济社会发展的必然。未来，光纤通信尚有极大的发展空间，真正时间全光信号处理的全光网将给人类带来通信的巨大变革。