[普及知识]光纤的传输原理

（一）光波速度

光波与电磁波在真空中的传输速度为c=3×105km/s。光在均匀介质中直线传播，速度与介质的折射率成反比，即

式中 n——介质光折射率；

c——真空中的光速。

真空的光折射率为1，其他介质的折射率大于1，因此传输速度比在真空中小。其中空气的折射率近似为1，而石英光纤的折射率为1.458，则光波速度为v=2×105km/s。

光波的波长（λ）、频率（f）和速度之间的关系为

c=fλ

或

（二）光波的折射与反射

光在同一均匀介质中是直线传播的，但在两种不同的介质的交界处会发生反射和折射现象，如图1.9所示。

设MM′为空气与玻璃的界面，NN′为界面的法线，空气折射率n1＜玻璃折射率n2。当入射光到MM′与NN′的交接处O点时，发生一部分光反射回空气，另一部分光折射进入玻璃中的现象。

图1.9 光的反射和折射

根据反射定律，

=∠φ1，则

根据折射定律，假设光在空气和玻璃中的速度分别为v1和v2，则根据波动理论可知

因此，可推导出

（三）光波的全反射

根据折射定律，光从折射率大的介质到折射率小的介质时，折射角大于入射角，并随入射角增大而增大。当入射角增大到临界角φ0时，折射角∠φ2=90°，如图1.10所示，这时光以φ1角全反射回去，从能量角度看，折射光能量越来越小，反射光能量逐渐增大，直到折射光能量消失。

即

图1.10 光波的全反射

在这种情况下，

（四）光纤导光原理

光纤的传输原理，可以用几何光学的反射、折射特性来分析。当光从光密媒介（折射率相对较大）到光疏媒介的交界面会发生全反射现象，即入射角达到一定值时，折线光线将与法线成90°角，再增大会使折射光线进入原媒介（即光纤）传输。

以阶跃型多模光纤的交轴（子午）光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为 n1和 n2，空气的折射率 n0=1，纤芯中心轴线与 z轴一致，如图1.11所示。

光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯（n0＜n1），折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层（n1＞n2）。

图1.11 阶跃型多模光纤传输原理示意图

由图1.11可知，改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据光波的全反射情况，存在一个临界角θc（此时代表在纤芯和包层产生临界角ψc的外部光线入射角）。当θ＜θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1；当θ=θc时，相应的光线以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播（折射角为90°），如光线2；当θ＞θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。

由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传输，如图1.12所示。

图1.12 光纤内光波传输