一、光纤的结构与类型及其传光原理 1.光纤的结构与类型

        光纤(OpticFiber)是光导纤维的简称，它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成，如图5-1所示。

图5-1     光纤结构示意图

       纤芯与包层是光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用。纤芯多为石英玻璃，直径一般为5?75μm,材料主体为二氧化硅，其中掺杂其他微量元素，以提高纤芯的折射率。包层直径很小，一般为100?200μm,其材料主体也为二氧化硅，但折射率略低于纤芯。涂覆层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐，主要用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于提高光纤的机械强度，保护光纤。一般，没有涂覆层和护套的光纤，则称为裸纤。

        光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分类。一般，有以下四种分类。 

       (1)按光纤材料可分七种：石英系光纤、多组分玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤、红外材料光纤。

       (2)按光纤横截面上折射率的分布可分二类：阶跃型(突变型)光纤、梯度型(自聚焦或渐变型)光纤。

阶跃光纤及其纤芯折射率径向分布如图5-2(a)所示，在纤芯和包层两种介质内部，折射率均匀分布，即加、均为常数，因此在纤芯与包层的分界处折射率产生阶跃变化。梯度光纤的纤芯折射率沿径向呈非线性规律递减，故亦称渐变折射率光纤。图5-2(b)为一种常见的梯度光纤及其折射率径向分布。

图5-2    光纤纤芯折射率径向分布示意图

       (3)按传输模式多少可分二类：单模光纤与多模光纤，其示意图如图5-3所示。光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形或者光场场形(HE)。其各种场形，都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果，而各种模式是离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。如果是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤(SingleMode),它只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于单模光纤完全避免了模式色散，从而使得它的传输频带很宽，因而适用于大容量、长距离的光纤通信。一般，单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm0图5-3所示的单模光纤光线轨迹图。

图5-3单模与多模guangqian光纤示意图

若为两个以上光斑，我们称它为多模光纤(MultiMode),即它有多个模式在光纤中传输。由于色散或像差的关系，这种光纤的传输性能较差，频带比较窄，传输容量也比较小，所以传输距离比较短。如图5-3所示的多模光纤光线轨迹图。

       (4)按光纤工作波长可分三种：0.8?0.9呻的短波长光纤、1-1.7gm的长波长光纤、2gm以上的超长波长光纤。

       由于光纤的材料与制造工艺的不同，使光在光纤中传输时会有一定的衰减，其衰减量一般用dB/km表示。而不同波长的光，在光纤中传播时造成的衰减是不一样的。光波长与传输损耗的关系如图5-4所示，由图可知，在以纳米(nm)表示波长的一些特定点上，其光的衰减最小。因此,光纤通信中常用的光波长，一般选用使光衰减量最小的850nm、1300nm及1550nm等波长。

图5-4  光波波长与传输损耗的关系

       对于阶跃光纤，由于纤芯与包层的折射率均为常数，因此光在光纤内的传播途径为折线，如图5-5所示。

图5-5光在光纤内的传播

假设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,由折射定律可知，在纤芯与包层分界处，入射角θ1与折射角θ2存在如下关系