任何光纖的基本功能都是引導光，即充當介質波導。引導從光纖端面注入的光在光纖中的傳輸。這里，我們僅對玻璃光纖作出解釋，但其實塑料光纖工作原理也是一樣的。

原則上，引導光線最簡單的方法是使用均勻的玻璃棒。(如果它足夠薄，它也可以被彎曲到某種程度。)光通過內部發(fā)生全反射來傳輸。由于內部折射率大，它適用于相當大范圍的輸入光束角度，原則上無任何功率損失。

圖1:光在均勻光纖中發(fā)生全反射。注意，僅有部分反射發(fā)生在端面，那里入射角較小。

然而，這種簡單的解決方法有一些致命的缺點:

• 由于折射率對比度高，即使玻璃外表面有微小劃痕，也會導致大量的光散射損失。因此，外表面必須具有高光學質量，并能很好地防止損壞和污垢。只有在玻璃周圍涂上適當?shù)木彌_涂層，這個問題才能得到一定程度的緩解;這種涂層不是高度均勻的，很難提供非常低的光學損失。

• 即使光纖很薄(例如直徑為0.1 mm)，它也會支持大量模式(見第2部分)，這是不好的，例如當保持高光束質量很重要時。

  然而，我們可以改變想法：不再是需要一個非常干凈的涂層，而是使用另一個玻璃區(qū)域，即包層，其折射率小于纖芯折射率。
  

 圖2:具有包層的多模玻璃纖維，由折射率稍低的玻璃制成。玻璃/玻璃界面可以發(fā)生全內反射，但入射角需要更大。

這給了我們幾個好處:

•  玻璃可以比塑料緩沖涂層更清潔和均勻。這已經(jīng)減少了損失。

•   由于反射點的折射率對比度降低，界面的小不規(guī)則性不會像玻璃/空氣界面那樣造成嚴重的光學損失。外層界面的不規(guī)則性不再重要，因為光無法“看到”它們。

•   引導區(qū)域——被稱為纖維芯——現(xiàn)在可以做得比總纖維小得多，如果需要的話。我們可以調整核心的大小，例如一些小的光發(fā)射器的大小。

通過小核心尺寸和弱索引對比度的組合，人們甚至可以獲得單模制導(見下文)。

但是請注意，折射率對比越小，能接受的角度就越小:只有當入射角高于臨界角時，才會發(fā)生全反射。在光纖輸入面上的最大入射角由數(shù)值孔徑NA確定:

NA是輸入端面的最大入射角的正弦值。式中n0為纖維周圍介質的折射率，在空氣中接近1。

考慮到光的波動特性

前面的考慮是基于一個簡單的幾何光線圖。特別是在小纖芯和弱折射率對比的領域，這張簡單的圖片不再代表光傳播的精確模型，因為它忽略了光的波動性質。現(xiàn)在讓我們把波的特性考慮在內。

首先，我們想象在均勻介質(例如一些玻璃)中的高斯光束。即使光束的波前是平的，在一個瑞利長度內，光束也會開始明顯發(fā)散:

圖3:均勻玻璃中 波長為1.5um的高斯光束。它最初以幾乎平行的方式傳播，但最終發(fā)散。

散度與波前的曲率密切相關。很顯然，在光束軸上的波陣面在z方向上比在更高或更低位置的波陣面發(fā)展得更快。這些現(xiàn)象給了我們啟發(fā)，:我們難道不能通過在光束軸附近減慢光的速度來對抗波前的彎曲嗎?這可以通過在中心區(qū)域增加折射率使用非均勻結構來實現(xiàn)。事實上，如果我們只是單純地將3 μm的半徑折射率增加0.014，這種方法就非常有效:

圖4:這是注入到階躍光纖中的高斯光束。兩條水平的灰色線表明了纖芯/包層界面的位置。這是利用RP Fiber Power 軟件對光束傳輸進行模擬的結果。

數(shù)值孔徑為0.3。幾乎所有注入的高斯光束都被引導。如果我們使初始光束半徑和纖芯區(qū)域變大，一個更低的折射率對比就足以達到這個目的。

請注意，即使光纖不是完全直的有些彎曲，也可以進行光的引導。如果彎曲不是太強，彎曲損失(即由彎曲引起的功率損失)是小到可以忽略的。

來自“武漢墨光”微信公眾號