光在光纤中的传输原理是什么？

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2024-11-29 16:18:23

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回答1：

射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。全反射原理：因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。

当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

按照几何光学全反射原理，射线在纤芯和包层的交界面产生全反射，并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件，即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外。

扩展资料：

光纤的分类：

①石英光纤：

石英光纤（Silica Fiber）是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，已广泛应用于有线电视和通信系统。

石英玻璃光导纤维的优点是损耗低,当光波长为1.0～1.7μm（约1.4μm附近），损耗只有1dB/km，在1.55μm处最低，只有0.2dB/km。

②掺氟光纤：

掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。通常，作为1.3μm波域的通信用光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化锗（GeO2），包层是用SiO2作成的。但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2，而在包层中却是掺入氟素的。

由于瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以，希望形成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而，常用于包层的掺杂。

石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和图像传导等领域。

③红外光纤：

作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2μm。为此，能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。

例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。

④复合光纤：

复合光纤（Compound Fiber）是在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O3）、氧化钾（K2O）等氧化物制作成多组分玻璃光纤，特点是多组分玻璃比石英玻璃的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。

⑤氟氯化物光纤：

氟化物光纤氯化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称 ZBLAN（即将氟化锆（ZrF2）、氟化钡（BaF2）、氟化镧（LaF3）、氟化铝（AlF3）、氟化钠（NaF）等氯化物玻璃原料简化成的缩语。

主要工作在2～10μm波长的光传输业务。由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发，例如：其理论上的最低损耗，在3μm波长时可达10-2～10－3dB/km，而石英光纤在1.55μm时却在0.15-0.16dB/Km之间。

ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.4～2.7μm的温敏器和热图像传输，尚未广泛实用。最近，为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3μm的掺镨光纤放大器（PDFA）。

⑥塑包光纤：

塑包光纤（Plastic Clad Fiber）是将高纯度的石英玻璃作成纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较，具有纤芯粗、数值孔径（NA）高的特点。因此，易与发光二极管LED光源结合，损耗也较小。所以，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。

参考资料：百度百科- 光纤

回答2：

光纤-结构

光纤的结构

纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约5~~75μm。光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200μm上下。包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。

这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。

光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。在圆柱坐标系（λ、Φ、z）中n（λ）来表示。在理论分析中，折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1，包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数Δ，其中定义为：

n1 2 — n22 n1 — n2

Δ = —————— ≈ —————

2 n1 2 n1

射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率（n1）稍高的纤芯和折射率（n2）稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。� 若光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线之间的夹角θ0称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角Φ，光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线1沿轴心线向前传播。

由于n1〉n2，所以包层界面有一个全反射的临界角Φc，与其相对应的光线端面有一个临界入射角Φa。如果端面入射角θ0≤θa，光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入射角Φ≥Φc，满足全反射条件，光线将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射，（全反射次数与光纤长度、直径有关），才能从光纤的一段传到另一端。光线1、2的特点是光在光纤中传播路径始终在同一平面内，这种光线称为受到光线；在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平面曲线，包含子午光线的面称为子无面。

另一种光线不在一个平面内，不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射。这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。这样的光纤称为斜光线，它是一空间曲线，除子午线和斜光线外，还有一种不受到光线，它不能在光纤中传播，射线理论无法解释这种光线。