光导纤维的原理及应用

光导纤维的原理及应用

廖浚竹

物理学2015级

摘要：介绍了阶跃型和梯度型光导纤维内光线传输原理，光导纤维的优良特性和在各个领域的广泛应用。

关键词：光导纤维、全反射、自聚焦、光纤应用

引言：

光导纤维的研制成功使人类的通迅技术得到了前所未有的发展，自从1977年美国加利福尼亚洲通用电话公司安装第一套光纤通讯系统以后，发展十分迅猛，至今已普遍使用。于当今信息爆炸的世界，人们对提高无线电波传递信息容量给予了极大的关注，光纤通信就是这一征程上的重大里程碑。

近年来，随着现代科学技术的迅猛发展，光导纤维不仅在通信、电子和电力等领域的应用日益扩展，而且在医学检测、太阳光照明、制作传感器等方面也有了重要突破，成为大有前途的新型基础材料。

1、 阶跃型（全反射型）光导纤维光线传输原理

1.1全反射

光由光密介质进入光疏介质时，即n2>n1时，折射光线将远离法线。随着入射角θ1的增大，折射角θ2增加很快，当入射角θ1增加到θc时，折射线延表面进行，即折射角为90°，该入射角θc称为临界角。若入射角大于临界角，则只有反射没有折射，此现象称为全反射(图1)。当光线由光疏媒介射到光密媒介时，折射光线将靠近法线而折射，故这时不会发生全反射。

临界角：θc=arc(n1/n2)

图1

1.2光导纤维

⑴基本结构

光纤的内层是纯玻璃光芯,外包折射率低于玻璃折射率的掺杂物(包层)。内芯是光传播的部分,包层与纤芯折射率的差别就是为了使光发生全内反射。大部分的光纤在包层外还有一层涂覆层,它一般是一层或几层聚合物,防止纤芯和包层受到震荡而影响光学或物理性质。涂覆层对在光纤里传播的光没有影响,它只是作为一个减震器。

⑵基本原理

光导纤维就是利用全反射规律使光线沿着曲线传播的光学元件。图2显示了光在光纤里的传播特性。入射进光纤中的光，当入射角大于临界角时,光在纤芯与包层之间界面上发生全反射,因为入射角等于反射角,反射光再次被反射,光将被光纤以锯齿形传播。但如果入射角小于临界角,光被折射进入包层,包层不是作为光的载体进入包层的光很快被吸收。

图2.全反射型光纤中的光纤轨迹

2、 梯度型（自聚焦型）光导纤维光纤传输原理

梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向着径向逐渐减小。因此，入射光线进人光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输，光束在梯度型光导纤维中传播时，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，如图3所示。故梯度型光导纤维又称聚焦型光导纤维。

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图3. 自聚焦型光纤中的光线轨迹

3、 光导纤维的优良特性

(1)光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。基于这一特点,我们可在同一光纤通道上,同时传输许多路的信息,也不会相互干扰。

(2)衰减小，无中继段长可达几十到100多公里,铜线只有几百米。基于这一特点,我们可将网络延伸到很远的空间。

(3)保真度高，因为不需要中继放大，不会因为放大引来新的非线性失真。

(4)不受电磁场和电磁辐射的影响。这样一来,信息传输的可靠性提高了很多。

(5)重量轻,体积小。

(6)光纤通讯不带电,使用安全,可用于易燃、易爆场所。

(7)使用环境温度范围宽。

⑻耐化学腐蚀,使用寿命长。

⑼成本不断下降。制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低。

⑽噪声小。在传输信息容量非常大时，光导纤维也不会发出大的噪音。

正是由于光纤的这些优良特性,使得光纤在网络和通信中的应用越来越广泛。

4、 光导纤维的应用

高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

4.1通信应用

光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条3．3公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。

多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。 利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。

4.2光纤收发器

光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。

企业在进行信息化基础建设时，通常更多地关注路由器、交换机乃至网卡等用于节点数据交换的网络设备，却往往忽略介质转换这种非网络核心必不可少的设备。特别是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企业，网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网，而企业内部局域网的传输介质一般为铜线，确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。

4.3太阳光照明与光能传送

基于光导纤维的太阳光照明系统是一种利用导光光纤将自然阳光引入室内进行照明的技术，是一种新型照明产品，属于新型太阳能利用范畴。

它采用自动跟踪技术实现太阳轨迹跟踪，利用光学非球面透镜将太阳光聚焦收集，通过大芯径石英光导纤维把太阳光传送到室内或其它需要阳光的地方，并且可以实现一个光源多点照明。

它具有控制精度高、灵活性强、易操作等优点，可以实现绿色、环保、节能、健康的室内照明。实验证明，相对于传统照明方式，经光纤引入的太阳光更接近自然光谱，颜色柔和，色彩还原度极高，非常适用于大跨度的公共和地下建筑物，市场前景广阔，具有显著的经济与社会效益。

该成果在2014年北京召开的ＡＰＥＣ会议期间得到应用，具有良好的绿色、健康、环保示范效果。

4.4传感器应用

光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色

等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用

4.5医学应用

光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、

体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。 另外，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。

4.6工业领域

在工业上，光导纤维可传输激光进行机械加工;可制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等;也可用于工厂自动化、办公自动化、机器内及机器间的信号传送、光电开关、光敏组件等。此外，光缆可不受雷电的侵扰而正常工作，从而保护与之联结的家电和精密仪器免遭雷击损坏。如美国杜邦公司的光纤有80%用于汽车工业，可用于前灯、尾灯、开关和仪表盘的照明以及制动器的监控等。在自控领域，塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产生及因外部噪声引起的误动作，在解决设备的抗电磁干扰方面效果显著。此外，光纤技术还可用于阅读穿孔卡片、光开关、飞点析像器、图像的缩小和放大、火焰及高温监控、道路标志装饰照明等。

荧光POF是在芯材中掺人一定量的荧光剂，其人射端面输人特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由PO「出射端面输出。可用荧光POF制作特殊的光纤传感器或功率放大器，极具发展潜力。偶极性有机材料比无机材料有更大的非线性光学效应。带偶极特性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于粘流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着粘流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性POF。这种非线性POF可制作电光及非线性光学器件。

4.7国防军事领域

光纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应用于军事领域。在国防军事上，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇、坦克和飞机上，用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。

4.8光纤艺术应用

由于光纤的良好的物理特性，光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途。例如：

⑴ 门头店名（标设）和LOGO采用粗光纤制作光晕照明。

⑵ 门头的局部轮廓采用Φ18（Φ14）的侧光纤进行照明。

⑶ 场所外立面局部采用光纤三维镜。

⑷ 采用艺术分布的光纤点阵，配置光纤照明YY-S150光纤扫描机。 ⑸ 在草坪上布置光纤地灯。

⑹ 光纤瀑布、光纤立体球等艺术造型。

⑺ 同时也用在装饰显示、广告显示。

光纤也可以用作各种视觉艺术的展示等，光纤的特性得到充分的应用。

5、 结束语

由于光导纤维较为简单的结构和十分优良的性能，随着光纤制作工艺的不断发展，光纤的应用领域将会越来越广泛，使用人群也将会越来越多，光导纤维具有非常广泛的应用前景和巨大的发展潜能。

6、 参考资料

【1】 姚启钧，光学教材（第五版），高等教育出版社

【2】 顾超英，世界光导纤维的开发生产应用与发展前景分析。China Chemicals，化工文

摘，2008年1期22-28页

【3】 冯震、魏秀珍、杨双收、岳叶，基于光导纤维的阳光照明原理与应用。2015年中国

照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛

【4】 佟世维，塑料光导纤维。塑料工业，1985

【5】 杨丽君、余雷、伍艳泽、余艳萍，基于光导纤维的信号传输原理。甘肃科技Gansu

Science and Technology，第20卷 第4期，2004年4月

【6】 智卫，现代通信传输方式一光导纤维(二)光纤简介。电视技术论谈1999年2月第一

期（总第41期）

【7】 汪天伟、崔希俊，用光导纤维传输地震信号。1981年6月19日收稿

光导纤维的原理及应用

廖浚竹

物理学2015级

摘要：介绍了阶跃型和梯度型光导纤维内光线传输原理，光导纤维的优良特性和在各个领域的广泛应用。

关键词：光导纤维、全反射、自聚焦、光纤应用

引言：

光导纤维的研制成功使人类的通迅技术得到了前所未有的发展，自从1977年美国加利福尼亚洲通用电话公司安装第一套光纤通讯系统以后，发展十分迅猛，至今已普遍使用。于当今信息爆炸的世界，人们对提高无线电波传递信息容量给予了极大的关注，光纤通信就是这一征程上的重大里程碑。

近年来，随着现代科学技术的迅猛发展，光导纤维不仅在通信、电子和电力等领域的应用日益扩展，而且在医学检测、太阳光照明、制作传感器等方面也有了重要突破，成为大有前途的新型基础材料。

1、 阶跃型（全反射型）光导纤维光线传输原理

1.1全反射

光由光密介质进入光疏介质时，即n2>n1时，折射光线将远离法线。随着入射角θ1的增大，折射角θ2增加很快，当入射角θ1增加到θc时，折射线延表面进行，即折射角为90°，该入射角θc称为临界角。若入射角大于临界角，则只有反射没有折射，此现象称为全反射(图1)。当光线由光疏媒介射到光密媒介时，折射光线将靠近法线而折射，故这时不会发生全反射。

临界角：θc=arc(n1/n2)

图1

1.2光导纤维

⑴基本结构

光纤的内层是纯玻璃光芯,外包折射率低于玻璃折射率的掺杂物(包层)。内芯是光传播的部分,包层与纤芯折射率的差别就是为了使光发生全内反射。大部分的光纤在包层外还有一层涂覆层,它一般是一层或几层聚合物,防止纤芯和包层受到震荡而影响光学或物理性质。涂覆层对在光纤里传播的光没有影响,它只是作为一个减震器。

⑵基本原理

光导纤维就是利用全反射规律使光线沿着曲线传播的光学元件。图2显示了光在光纤里的传播特性。入射进光纤中的光，当入射角大于临界角时,光在纤芯与包层之间界面上发生全反射,因为入射角等于反射角,反射光再次被反射,光将被光纤以锯齿形传播。但如果入射角小于临界角,光被折射进入包层,包层不是作为光的载体进入包层的光很快被吸收。

图2.全反射型光纤中的光纤轨迹

2、 梯度型（自聚焦型）光导纤维光纤传输原理

梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向着径向逐渐减小。因此，入射光线进人光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输，光束在梯度型光导纤维中传播时，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，如图3所示。故梯度型光导纤维又称聚焦型光导纤维。

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图3. 自聚焦型光纤中的光线轨迹

3、 光导纤维的优良特性

(1)光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。基于这一特点,我们可在同一光纤通道上,同时传输许多路的信息,也不会相互干扰。

(2)衰减小，无中继段长可达几十到100多公里,铜线只有几百米。基于这一特点,我们可将网络延伸到很远的空间。

(3)保真度高，因为不需要中继放大，不会因为放大引来新的非线性失真。

(4)不受电磁场和电磁辐射的影响。这样一来,信息传输的可靠性提高了很多。

(5)重量轻,体积小。

(6)光纤通讯不带电,使用安全,可用于易燃、易爆场所。

(7)使用环境温度范围宽。

⑻耐化学腐蚀,使用寿命长。

⑼成本不断下降。制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低。

⑽噪声小。在传输信息容量非常大时，光导纤维也不会发出大的噪音。

正是由于光纤的这些优良特性,使得光纤在网络和通信中的应用越来越广泛。

4、 光导纤维的应用

高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等。

4.1通信应用

光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条3．3公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。

多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。 利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。

4.2光纤收发器

光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。

企业在进行信息化基础建设时，通常更多地关注路由器、交换机乃至网卡等用于节点数据交换的网络设备，却往往忽略介质转换这种非网络核心必不可少的设备。特别是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企业，网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网，而企业内部局域网的传输介质一般为铜线，确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。

4.3太阳光照明与光能传送

基于光导纤维的太阳光照明系统是一种利用导光光纤将自然阳光引入室内进行照明的技术，是一种新型照明产品，属于新型太阳能利用范畴。

它采用自动跟踪技术实现太阳轨迹跟踪，利用光学非球面透镜将太阳光聚焦收集，通过大芯径石英光导纤维把太阳光传送到室内或其它需要阳光的地方，并且可以实现一个光源多点照明。

它具有控制精度高、灵活性强、易操作等优点，可以实现绿色、环保、节能、健康的室内照明。实验证明，相对于传统照明方式，经光纤引入的太阳光更接近自然光谱，颜色柔和，色彩还原度极高，非常适用于大跨度的公共和地下建筑物，市场前景广阔，具有显著的经济与社会效益。

该成果在2014年北京召开的ＡＰＥＣ会议期间得到应用，具有良好的绿色、健康、环保示范效果。

4.4传感器应用

光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色

等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用

4.5医学应用

光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、

体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。 另外，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。

4.6工业领域

在工业上，光导纤维可传输激光进行机械加工;可制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等;也可用于工厂自动化、办公自动化、机器内及机器间的信号传送、光电开关、光敏组件等。此外，光缆可不受雷电的侵扰而正常工作，从而保护与之联结的家电和精密仪器免遭雷击损坏。如美国杜邦公司的光纤有80%用于汽车工业，可用于前灯、尾灯、开关和仪表盘的照明以及制动器的监控等。在自控领域，塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产生及因外部噪声引起的误动作，在解决设备的抗电磁干扰方面效果显著。此外，光纤技术还可用于阅读穿孔卡片、光开关、飞点析像器、图像的缩小和放大、火焰及高温监控、道路标志装饰照明等。

荧光POF是在芯材中掺人一定量的荧光剂，其人射端面输人特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由PO「出射端面输出。可用荧光POF制作特殊的光纤传感器或功率放大器，极具发展潜力。偶极性有机材料比无机材料有更大的非线性光学效应。带偶极特性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于粘流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着粘流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性POF。这种非线性POF可制作电光及非线性光学器件。

4.7国防军事领域

光纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应用于军事领域。在国防军事上，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇、坦克和飞机上，用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。

4.8光纤艺术应用

由于光纤的良好的物理特性，光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途。例如：

⑴ 门头店名（标设）和LOGO采用粗光纤制作光晕照明。

⑵ 门头的局部轮廓采用Φ18（Φ14）的侧光纤进行照明。

⑶ 场所外立面局部采用光纤三维镜。

⑷ 采用艺术分布的光纤点阵，配置光纤照明YY-S150光纤扫描机。 ⑸ 在草坪上布置光纤地灯。

⑹ 光纤瀑布、光纤立体球等艺术造型。

⑺ 同时也用在装饰显示、广告显示。

光纤也可以用作各种视觉艺术的展示等，光纤的特性得到充分的应用。

5、 结束语

由于光导纤维较为简单的结构和十分优良的性能，随着光纤制作工艺的不断发展，光纤的应用领域将会越来越广泛，使用人群也将会越来越多，光导纤维具有非常广泛的应用前景和巨大的发展潜能。

6、 参考资料

【1】 姚启钧，光学教材（第五版），高等教育出版社

【2】 顾超英，世界光导纤维的开发生产应用与发展前景分析。China Chemicals，化工文

摘，2008年1期22-28页

【3】 冯震、魏秀珍、杨双收、岳叶，基于光导纤维的阳光照明原理与应用。2015年中国

照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛

【4】 佟世维，塑料光导纤维。塑料工业，1985

【5】 杨丽君、余雷、伍艳泽、余艳萍，基于光导纤维的信号传输原理。甘肃科技Gansu

Science and Technology，第20卷 第4期，2004年4月

【6】 智卫，现代通信传输方式一光导纤维(二)光纤简介。电视技术论谈1999年2月第一

期（总第41期）

【7】 汪天伟、崔希俊，用光导纤维传输地震信号。1981年6月19日收稿