本教程包含以下部分：
① 玻璃光纖中的導(dǎo)光
② 光纖模式
③ 單模光纖
④ 多模光纖
⑤ 光纖末端
⑥ 光纖接頭
⑦ 傳播損耗
⑧ 光纖耦合器和分路器
⑨ 偏振問(wèn)題
⑩ 光纖的色散
⑪ 光纖的非線性
⑫ 光纖中的超短脈沖和信號(hào)
⑬ 附件和工具
這是 Paschotta 博士的無(wú)源光纖教程的第 1 部分
第一部分：玻璃光纖中的導(dǎo)光
任何光纖的基本功能是引導(dǎo)光，即充當(dāng)介電波導(dǎo)：注入一端的光應(yīng)在光纖中保持引導(dǎo)。換言之，必須防止其丟失，例如通過(guò)到達(dá)外表面并從那里逃逸。我們這里針對(duì)玻璃光纖進(jìn)行說(shuō)明，但是塑料光纖的工作原理是一樣的。原則上，引導(dǎo)光的最簡(jiǎn)單解決方案是均勻的玻璃棒。（如果足夠薄，它也可以彎曲到一定程度。）外表面可以通過(guò)全內(nèi)反射反射光線。由于大的折射率對(duì)比，這適用于相當(dāng)大范圍的輸入光束角度，原則上不需要任何功率損失。
圖 1： 全內(nèi)反射可用于在均勻光纖中引導(dǎo)光。
請(qǐng)注意，只有部分反射發(fā)生在入射角較小的端面上。
然而，這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案有一些關(guān)鍵的缺點(diǎn)：
由于高折射率對(duì)比度，即使是外表面玻璃的微小劃痕也可能因散射而導(dǎo)致大量光學(xué)損失。因此，外表面必須具有高光學(xué)質(zhì)量，并能很好地防止損壞和污垢。這個(gè)問(wèn)題只能在一定程度上通過(guò)光纖周圍的一些合適的緩沖涂層來(lái)緩解。這種涂層不是高度均勻的，幾乎不能提供非常低的光學(xué)損耗。
即使光纖非常細(xì)（例如，直徑為 0.1 毫米），它也會(huì)支持大量模式（參見第 2 部分），這很糟糕，例如當(dāng)保持高光束質(zhì)量很重要時(shí)。
然而，人們可以修改非常干凈的涂層的想法：使用另一個(gè)玻璃區(qū)域，其折射率比核心玻璃稍小，作為包層：
圖2： 具有包層的多模玻璃光纖，由折射率稍低的玻璃制成。玻璃/玻璃界面會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射，但入射角需要更大。
這給了我們幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：玻璃比塑料緩沖涂層更干凈、更均勻。這已經(jīng)減少了損失。
由于反射點(diǎn)處的折射率對(duì)比度降低，界面的小不規(guī)則性不會(huì)像玻璃/空氣界面那樣造成嚴(yán)重的光學(xué)損失。外部界面的不規(guī)則不再重要，因?yàn)楣饩�無(wú)法“看到”它們。
如果需要，現(xiàn)在可以將引導(dǎo)區(qū)域（稱為光纖芯）做得比整個(gè)光纖小得多。可以調(diào)整核心尺寸，例如適應(yīng)一些小型光發(fā)射器的尺寸。
結(jié)合小核心尺寸和弱指數(shù)對(duì)比度，甚至可以獲得單模制導(dǎo)（見下文）。
但是請(qǐng)注意，較小的折射率對(duì)比度意味著較小的接受角：只有在入射角高于臨界角時(shí)才會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。光纖輸入面的最大入射角由數(shù)值孔徑 (NA) 確定：
NA 是輸入面最大入射角的正弦值。式中，n 0為光纖周圍介質(zhì)的折射率，在空氣中接近于1。
考慮光的波動(dòng)性
前面的考慮是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何射線圖。特別是在小核心和弱折射率對(duì)比領(lǐng)域，這張簡(jiǎn)單的圖片不再代表光傳播的準(zhǔn)確模型，因?yàn)樗雎粤斯獾牟▌?dòng)性。所以現(xiàn)在讓我們考慮一下波浪的性質(zhì)。
首先，我們想象均勻介質(zhì)（例如，一些玻璃）中的高斯光束。即使這樣的光束最初具有平坦的波前，在一個(gè)瑞利長(zhǎng)度內(nèi)它也會(huì)開始顯著發(fā)散：
圖3： 均質(zhì)玻璃中真空波長(zhǎng)為 1.5 μm 的高斯光束。
它最初以幾乎平行的方式傳播，但最終會(huì)發(fā)散。
發(fā)散與波前的曲率密切相關(guān)。顯然，光束軸上的波前在 z 方向上的前進(jìn)速度比在較高或較低位置的波前快。這個(gè)觀察可以引發(fā)一個(gè)想法：我們不能通過(guò)稍微減慢光束軸附近的光來(lái)對(duì)抗波前的彎曲嗎？這可以通過(guò)使用不均勻的結(jié)構(gòu)來(lái)完成，在中心區(qū)域的折射率有所增加。事實(shí)上，如果我們?cè)?3 μm 的半徑內(nèi)簡(jiǎn)單地將核心指數(shù)增加 0.014，這將非常有效：圖 4： 注入階躍折射率光纖結(jié)構(gòu)的高斯光束。兩條水平灰線表示纖芯/包層界面的位置。使用 RP Fiber Power 軟件 模擬了光束傳播。
那么數(shù)值孔徑為0.3。注入的高斯光束的幾乎所有光都被引導(dǎo)。如果我們使初始光束半徑和核心區(qū)域更大，則甚至更低的折射率對(duì)比度就足夠了。請(qǐng)注意，即使光纖不是完全筆直，而是有些彎曲，光的引導(dǎo)也會(huì)起作用。如果彎曲不太強(qiáng)，則彎曲損耗（即彎曲引起的功率損耗）小到可以忽略不計(jì)。下一期將介紹第二部分：光纖模式
敬請(qǐng)關(guān)注！
