[科普中国]-阶跃折射率光纤

光纤按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。

光纤可以具有不同的折射率分布。除了光在空气玻璃截面上传输的光纤之外，最简单的折射率分布为长方形的分布，光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。

阶跃折射率分布的假设通常用于光纤光学的计算中，然而标准的制造技术通常得到的光纤折射率分布更加复杂。尤其是在制备预制棒过程中优先蒸镀掺杂物通常会导致折射率分布中心存在凹陷（假设预制棒是由化学气相沉积方法制作的）。对于与阶跃折射率分布相差较远的折射率分布光纤来说，可以定义有效阶跃折射率分布，可以得到与实际分布类似的模式性质。

阶跃折射率光纤的传播模式可以用贝塞尔函数来描述，然后再乘以指数相位因子exp(i β z)表征纵向的相位变化。如果考虑到径向的变化，纤芯处的场强度正比于第一类的零阶贝塞尔函数，包层部分由第二类的修正贝塞尔方程描述。模式函数和其一阶导数通常在纤芯-包层界面处是连续的。

很多光纤参数，尤其是数值孔径和V值，最初都只是对阶跃折射率光纤而言的，当然其它类型的光纤可以采用相应的有效值。当V值很大时，模式数目正比于V。

光纤制造中的一些技术可能导致折射率偏离阶跃折射率分布。有些情况下，认为的利用这一性质来实现特定的导波特性。例如，纤芯和包层之间的某一区域折射率降低可以引入额外的截止波长，高于该波长时传输损耗变得很大2。