光纖是由纖芯、包層所組成的圓柱形的介質光波導。纖芯的折射率總是比包層的折射率略大。當光波從折射率 較大的介質入射進入較小的介質時，會在兩種介質的邊界發生折射和反射。斯奈爾（snell）定律描述了入射角和 折射角與介質折射率的關系。圖1所示的是一束子午光線在一個階躍折射率光纖中傳播的情況。設纖芯的折射率是 n₁，包層的折射率為n₂，光線從折射率為溝。的介質中進入光纖纖芯，光線與光纖軸之間的夾角為θ₀。光線進入 纖芯后以入射角α投射到纖芯與包層的界面上，并在界面上發生折射和反射。設折射角是θ₂，根據斯奈爾定律， 有

　　設當α＝θc時，折射角θ₂＝90°，這時，所有入射的光都不會進入n₂介質。當α＞θc時，即n₁和n₂的界面上 有全反射發生。

圖1 理想的階躍折射率光纖中，子午光線傳播的射線光學表示

　　根據式（7-2）可以得到在n₁和n₂的界面上有全反射發生，在空氣（no＝1）中光線的最大入射角島θ_o^,max所應滿足的關系式：

　　這里，δ=(n₁-n₂)/n₁是光纖芯層與包層的相對折射率差。

　　na是一個無量綱的數，它表示光纖接收和傳輸光的能力。通常na的數值在0.14～0.5范圍之內。光纖的數值孔徑na越大，光線可以越容易地被耦合到該光纖中。

　　光纖中有子午線和斜光線兩類射線可以傳播，子午光線是經過光纖對稱軸的子午平面內的光線射線，而斜光線是沿一條類似于螺旋形的路徑。對光纖中射線傳播的一般特性進行分析時僅使用子午光線就足夠了。上述有關光纖的數值孔徑的分析就是應用光的射線理論對子午光線的分析獲得的。

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