塑料光纤传光原理及应用浅论作者：HYPERLINK"http://www.lmtw.com/ShowAuthor.asp?ChannelID=10&AuthorName=臧文超"\o"臧文超"臧文超来源：HYPERLINK"http://www.lmtw.com/ShowCopyFrom.asp?ChannelID=10&SourceName=网络通信世界"网络通信世界点击：55次发布时间:2006-6-291.前言光纤通讯比传统的电缆通讯有3大优点：一是通信容量大；二是抗电磁干扰、保密性能较好；三是重量轻，并可节省大量的铜，如铺设1000公里长的8芯光缆比铺设同样长度的8芯电缆可节省1100吨铜，3700吨铅。因此光纤光缆一经问世就受到通信业界的欢迎，带来了通讯领域的革命以及一轮投资发展热潮。但我们在以往的光纤通讯中，传输媒介均采用玻璃光纤，玻璃光纤有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，业界一直没有停止过对光纤其他材料的代用研发。近些年随着对塑料光纤传输原理的研究及产品的成功试制、试用，发现其已能在部分领域代替玻璃光纤，用塑料光纤制成的商用产品在一些领域已进行广泛应用，如照明、信息传输等。2.光在塑料光纤中的传输原理2.1子午光线在阶跃型POF中的传输阶跃型POF是一种具有芯皮结构的光纤。子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。POF就是通过全反射原理进行光传输的。由折射定律公式可得出：n1sinθ1=n2sinθ2这里n1、n2分为芯皮折射率，θ1、θ2分为入射角和折射角，设发生全反射的临界角为θm,此时θ2=90°，故而当入射角θ1>θm时，则光在芯皮界面上发生全反射，而当入射角θ1<θm时，则光在芯皮表面上出现折射，有一部分光从芯材泄漏至皮层外。由全反射临界角同样可推出光纤截面临界入射光纤角θ0，在空气和光纤截面界面上，同样有：n0sinθ0=n1sin(90°－θm)=n1cosθm其中，n0为空气折射率，设定其值同于真空折射率值1.0，即n0=1.0。只有当外界光入射角θ小于θ0时，光线才能在光纤中以全反射的形式向前传播，从光纤一端传至光纤另一端，所以，光纤临界接受角为θ0。所以光在SIPOF光纤的传输方式为全反射式锯齿型。光纤数值孔径是光纤一个重要指标之一，NA值越大，则θ0越大，光纤临界入射角越大，则光纤端面接受光或发射光角度越大，光纤的集光能力愈强，愈便于光纤同光纤连接或同光源耦合。常规POF的光纤数值孔径参见如下表。POFPS芯PMMAPC芯侧面发光POFPOF芯POFPOF(ESK-PH)芯材折射率1.591.4951.591.475皮材折射率1.491.4021.311.34数值孔径NA0.550.50.90.65最大入射角67°60°28°75°2.2子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数由于子午光线入射光纤中并不是同一角度，故而其在光纤中的几何行程也不相同。无论是子午线在光线中的行程计算公式还是反射次数计算公式，都是假定光纤是处于非常理想状态下——光纤非常直，光纤直径均匀，光纤内部无缺陷和光纤入射端面平直等，倘若光纤不在这一理想条件下，则入射子午线全反射的状况就会发生变化，如有的会从光纤中反射出，有的反射角会发生变化等，因此光纤的传输损耗也会增加。2.3斜光线在阶跃型折射率POF中的传输所谓斜面光线，就是光在光纤中传输时，并不是像子午光线一样保证在同一平面内，它在光纤中传输时，其轨道通常是一空间螺旋曲线，其最大入射角比子午线的大，但通常以子午线传输表征光纤的传输特性，自然这是最理想的一种状况。2.4光在渐变型折射率分布POF中的传输对于渐变型折射率GIPOF，同样有子午线和斜光线，这种光纤折射率并不是一恒定常数，而是随着离轴距离的增加而折射率下降；抛物线型折射率分布光纤具有较小的模式色散的特点，渐变折射分布有多种形式，当折射率分布按二次方抛物线分布时，子午线在光纤中的传播路径为正弦曲线型，斜光线的传播路径为螺旋曲线，渐变型折射率POF多用于短距离数据传输，用于光纤照明较少。这种光纤传输的激光能量分布接近Gauss分布，即在光纤轴附近具有更高的光能量密度