User:Haojerryyu/包层（光纤）

在光纤里面，包层是用来把光束限制在光纤核心中的一层物质，通常由高纯度二氧化硅做成的，并确保折射率略低于光纤核心材料的折射率。当光线从光纤核心进入包层时，如果入射角大于一个叫做临界角的值，光线就完全被反射回去，导致没有光线透过包层。这个现象在不同的反射角度下被称为全反射。包层光纤以亚光速传输高质量的信息。 ^[1]位于光纤包层中的光会被绝大部分光纤抑制，然而支持包层横模的光纤能确保光通过包层和纤芯传播。它们被称为多模光纤和单模光纤。 ^[2]荷兰科学家Bram van Heel于 1953 年发现了改善了光纤传输的应用包层。 ^[3]

横模[edit]

在现代光纤中，包层横模是具有比周围介质（如空气或主要聚合物外涂层）更高折射率的横向模式，它被限制在包层内传播。^[4]然而，现代光纤中主要聚合物外涂层的折射率略高于包层的折射率，这导致在包层中传播的光信号会快速衰减，仅仅几厘米后就会消失。只有双包层光纤是一个例外，它的设计旨在支持包层内的一种横向模式和核心中的一种横向模式。 ^[5]

优点[edit]

在制造玻璃纤维时，总会不可避免地制造不规则表面，比如孔隙和裂纹。这这会导致散射光线并缩短光的传播距离。

由于玻璃纤维与玻璃之间的界面上光线的散射比无包层的光纤与玻璃/空气界面上的散射要小，因此玻璃包层大大减小了表面不规则引起的衰减。这个优势主要归功于两个因素：玻璃包层使得折射率的变化较小，并且包层上的表面不规则不会干扰光束的传播。相比只有聚合物涂层的情况，加入玻璃包层也是一种改进，因为玻璃通常更坚固、更均匀且更容易清洁。此外，包含玻璃包层还允许使用更小直径的玻璃纤维芯。

^[6]大多数玻璃纤维都有一个可将总外径增加到 125微米的包层。 ^[7]

对数值孔径的影响[edit]

多模光纤的数值孔径是包层和纤芯折射率的方程式：

{\rm {{NA}={\sqrt {n_{\rm {core}}^{2}-n_{\rm {clad}}^{2}}}}}

其中，NA代表数值孔径 core表示光纤芯的折射率，clad表示包层的折射率。

数值孔径是用来描述光纤的能量传输和接收能力的一个参数。它通过光纤芯和包层的折射率之间的差异来确定。

这个公式的意思是，通过将光纤芯的折射率的平方减去包层的折射率的平方，然后取平方根，可以得到数值孔径的值。

数值孔径允许计算光纤界面处的入射接收角。 ^[8]出入射光可以进入核心并保持全内反射的最大角度：

${\rm {{NA}=\sin(\theta _{A})}}$

通过结合这两个等式，可以在上图中看到如何 $\theta _{A}$ 是一个函数 $n_{1}$ 和 $n_{2}$ ，在哪里 $n_{1}$ 是核心的折射率和 $n_{2}$

$n_{2}$ 是包层的折射率。 ^[7]

最近的发展[edit]

因为高度纯化的石英玻璃具有出色的光传输性，它们可以被制作成光纤芯和包层。在融入杂后，石英玻璃给光缆带来了新的特性，例如增加传输距离或提高光纤柔韧性。 ^[9]举个例子， ClearCurve是一种由康宁创造的光缆，通过改造包层使光纤的柔韧性比传统光纤高数百倍。

参考[edit]

This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. Archived from the original on 2022-01-22. (in support of MIL-STD-188).Federal Standard 1037C. General Services Administration. (in support of MIL-STD-188).

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[:0-1] The Basics of Fiber Optic Cable

[:1-2] Zlatanov, Nikola (March 2017). "Introduction to Fiber Optics Theory". doi:10.13140/RG.2.2.29183.20641. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)

[3] "Fiber 101" (PDF). Archived (PDF) from the original on November 26, 2019.

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[5] Ghatak, Ajoy; Thyagarajan, K. (1998), "Introduction: The fiber optics revolution", Introduction to fiber optics, Cambridge: Cambridge University Press: 1–8, doi:10.1017/cbo9781139174770.002, ISBN 9781139174770, retrieved 2021-11-27

[:02-6] Hecht, Jeff (2004). City of light : the story of fiber optics. Oxford: Oxford University Press. pp. 55–70. ISBN 978-0-19-802676-1. OCLC 60543677.

[:3-7] "The FOA Reference For Fiber Optics - Optical Fiber". www.thefoa.org. Retrieved 2016-04-10.

[:2-8] Crisp, John (2005). Introduction to fiber optics. Barry J. Elliott. Amsterdam: Newnes. ISBN 978-0-7506-6756-2. OCLC 162130345.

[9] Bass, Michael (2010). Handbook of optics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-163314-7. OCLC 904221758.

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