[激光原理与应用-65]：激光器-器件 - 多模光纤（宽频光纤）单模光纤的原理与区别

Posted 2023-01-17 文火冰糖的硅基工坊

第1章 光纤基础与概述

1.1 概述

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递

通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。

光纤分为单模（(single-mode)和多模（multi-mode)两种类型。

1.2 光纤基础

光纤的基础是全内反射。

如下图所示，光线以足够浅的角度入射在高低折射材料的界面上将发生全内反射。

光纤使用折射率相差很小的两种玻璃，中心部分是纤芯，外围包裹的叫做包层。

纤芯折射率典型值是1.448，包层是1.444，两折射率相差一般小于1%，对于单模光纤甚至小于0.5%。

纤芯和包层构成柱面波导，而光在界面上发生全内反射。

1.3 阶跃折射率与渐变折射率

纤芯和包层都具有恒定的折射率，纤芯高于包层，两个折射率呈阶跃变化。

有些光纤采用渐变折射率或其它更复杂的折射率轮廓，比如围绕纤芯生成一个低折射率凹陷区。

渐变折射率光纤一般是多模光纤，而后者能实现色散管理的目的。

1.4 多模

从几何光学角度而言，多模，是指光线利用全内反射沿不同的路径在多模光纤中传播。

从波动光学角度而言，多模，就相当于光走的不同路径。有些光在这种模式中，有些光在其它模式中。

光纤模式是线偏振模式，也叫LP模式。这是因为光纤是弱波导，而且是径向对称的。这些LP模式是基于柱坐标的复电场波动方程的解。LP模式有两个指数，第一个是方位指数，第二个表示第一个指数有多少个解，这样就有LP01、LP11、LP12等模式。

第一个指数大于1的模式是分瓣的，可能从上下或左右等不同角度分瓣。那实际上是两种互相正交的模式，但这里将其看作一种模式处理，并且将正交偏振态看成同一种模式。上图展示了具有极少模式的多模光纤，而典型的多模光纤支持数千种模式。

1.5 单模

下面通过思维实验引入单模光纤的概念。假设某阶跃折射率多模光纤的纤芯只有10微米(实际一般是几十甚至几百微米)。我们从紫外开始逐渐增加耦合到纤芯中的波长。随着波长变长，相对而言纤芯就变小，因此只能容纳更少的波或者模式，而越高阶的模式越先泄漏而不能被光纤传导。

到某个波长时将只剩下LP11和LP01两种模式。随着波长继续变长，第二个模式LP11和第一个模式LP01也先后截止，此时光纤不能传导任何光。

因此，在第二模式截止和第一模式截止之间的波长范围内，光纤只能传导LP01模式，也叫做基模。

这个范围就是单模波长范围。

在下图中，短波长的蓝色区域表示极少模式的多模工作范围，绿色区域表示单模工作范围，而长波长的红色区域超过了LP01模式的截止，此时光纤不能传导任何光。

1.6 基模的性质

如果看单模光纤的截面轮廓，基模略大于纤芯，稍微进入了包层。

基模强度轮廓接近高斯形，而基模强度的1/e²直径也叫做模场直径(MFD)。

在进行光纤耦合时，模场直径可以作为有效纤芯尺寸。因为模场直径大于纤芯，虽然最高光强处于纤芯中心，但纤芯之外还有很大的强度面积，因此约有45%的光功率在包层而不是纤芯中传播。

单模光纤横截面，强度轮廓(模场直径)大于纤芯

第2章 单模与多模光纤

光纤的基本结构一般由外护套、包层、纤芯、光源组成，单模光纤和多模光纤存在以下不同点：

在给定的工作波长上传输多种模式的光纤。按其折射率的分布分为突变型和渐变型。普通多模光纤的数值孔径为0.2±0.02，芯径/外径为50μm/125μm其传输参数为带宽和损耗。由于多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄，色散大，损耗也大，只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。

多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输，由于多模光纤的芯径较大，故可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。

2.1 外护套颜色差异

在实际应用中，光纤的外护套颜色可用来快速区分单模光纤和多模光纤。根据TIA-598C标准定义，

单模光纤OS1、OS2采用黄色外护套，

多模光纤OM1、OM2采用橙色外护套，OM3、OM4采用水蓝色外护套（在非军事用途下）。

图1：单多模光纤外护套颜色

2.2 纤芯的直径差异

多模光纤和单模光纤在纤芯直径上有明显差异，

多模光纤的纤芯直径通常是50或62.5µm，

单模光纤的纤芯直径是9µm。

鉴于这种区别，单模光纤在较窄的芯径上

传输波长为1310nm或1550nm的光信号，但纤芯小带来的好处是，光信号在单模光纤中沿着直线传播，不会发生折射，色散较小，带宽高；

多模光纤纤芯宽，它可以在给定的工作波长上传输多种模式，但同时由于多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄，色散大，损耗也大。

图2：单多模光纤纤芯直径图

备注：大多数光纤的标准包层直径是125um，标准外保护层直径是245um，不区分单多模。

2.2 光源的差异

光源通常有激光光源和LED光源两种。

单模光纤采用激光光源，激光为单频率（单波长）的光。

多模光纤采用LED光源，LED光源是散射光，包含多种频率的光。

图3：单多模光纤光源图

2.3 单模光纤和多模光纤传输距离对比

众所周知，

单模光纤适用于长距离传输，

多模光纤适用于短距离传输，

下表展示了不同种类的单多模光纤具体的传输距离。

图4：单多模光纤传输距离对比

从图表中可以看出，在1G和10G速率下，单模光纤的传输距离比多模光纤的传输距离远的多，那么数据中心为什么不全部采用单模光纤呢？这是由于数据中心的建设以短距离传输为主，在短距离传输环境下，多模光纤与单模光纤的性能一致，但成本更低；

同时，OM3、OM4多模光纤能支持更高的速率，在目前高速率网络时代，多模光纤的需求量也不容小觑。

2.4 单模光纤和多模光纤的成本对比

上面提到了多模光纤的成本比单模光纤低，这主要是由于设备硬件成本产生的，比如光源的成本差异，材质的成本差异。

同样采用多模光纤系统和单模光纤系统的成本差异也类似，多模光纤系统搭建成本比单模系统低。

以飞速(FS)的解决方案为例，一套多模传输系统的成本（多模光模块和跳线）在3300元至5300元不等，而一套单模传输系统（单模光模块和跳线）的成本通常会超过6700元，价格差在1000元以上。

2.5 单模光纤和多模光纤常见问答

1、单模光纤和多模光纤可以混合使用吗？

一般情况下不可以，单模光纤与多模光纤的传输模式不一样，如果将两根光纤混合或直接连接在一起，会造成链路损耗，产生线路抖动。不过通过单多模转换跳线，可以将单模和多模链路连接起来。

2、可以在单模光纤上使用多模光模块吗？在多模光纤上使用单模光模块呢？

单模光纤上不能使用多模光模块，会产生较大的损耗；

在多模光纤上可以使用单模光模块，但是要采用光纤适配器转换光纤类型，例如，通过使用光纤适配器，1000BASE-LX单模光模块可以在多模光纤上运行。

光纤适配器也可用于解决单模光模块和多模光模块之间的连接问题。

3、单模光纤与多模光纤应该如何选择？

在单模光纤和多模光纤的选择上，应根据实际传输距离和成本进行考虑。

若传输距离为300-400米，可采用多模光纤，

若传输距离达到达到数千米，则单模光纤是最佳选择。

2.6 光斑

下面两图分别是单模和多模光纤在远场的输出光斑。

漂亮的单模光斑

凌乱的多模光斑

单模光斑接近高斯形，而多模光斑则看起来更凌乱。

假设把相干激光耦合到多模光纤中，所有模式在较大的纤芯中发生相长或相消干涉，由此形成散斑。

但单模光纤的输出没有散斑效应，而是几乎完美的高斯形，并且和耦合条件无关。

单模光纤还能用于模式滤波，将混模光束耦合到单模光纤中，光纤将输出漂亮的高斯光束。

2.7 完全对光纤的影响不同

单模光纤具有弯曲不灵敏性，即受弯曲影响很小。

多模光纤受到弯曲时，不同模式间的光功率分布将会改变，而光功率一般往高阶模式转移。

高阶模式具有高损耗，因此多模光纤弯曲时会增加损耗。

在单模光纤中，基模的传播相对而言不受弯曲影响，而且输出图案不会因弯曲而改变。

2.8 应用

单模光纤和多模光纤各有优势，单模光纤系统主要应用在城域网、PON中，多模光纤系统主要应用在企业、数据中心中，选择适合您的光纤系统至关重要。

在多模光纤中，芯的直径是15μm~50μm， 大致与人的头发的粗细相当。

单模光纤芯的直径为8μm~10μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。

基模的下一个性质和光纤通信有关。单模光纤广泛用于全球通信中，这是因为它们没有模间色散。对于单模光纤，光只能在一个模式中传播，只能沿一条路径传输。多模光纤则有不同的模式和不同的有效路径长度，传输信号脉冲时会引起时间展宽，使探测器无法区分。相对而言，单模光纤没有以上问题，所以能实现最高的数据传输速度。

模间色散：单模vs多模

单模光纤的衰减一般远低于多模光纤。基本原因之一是光只能以LP01基模传导，功率无法转移到高损耗的高阶模式中，另外由于生产和设计的不断优化，单模光纤不断创造超低衰减的世界记录。

2.9 光模块单模和多模的区别

单模（SM）光模块使用局限性小，适用于远距离数据传输，多模（MM）光模块可以传输多种模式的光，适用于近距离传输。光模块中的单模与多模，实际上是指与光模块连接的光纤种类。

（1）使用单模光模块时要保证实际接收的光功率要小于过载光功率，所以结合光功率测收发光功率，然后选择性的配合光衰减器使用。

（2）使用单模光模块时，接收功率要有余量。

（3）多模光模块只能发送一种波长的信号，不能与复用器配合使用

（4）多模光模块只限于在多模光纤上运行

第3章 单模光纤进一步分析

3.1 光纤的光谱

3.2 单模光纤衰减的测量方法

为了研究单模光纤的模式性质，我们在光纤中间以某个半径绕一个圈，对比笔直光纤和弯曲光纤的功率得到衰减曲线。

测量示意图和计算公式如下所示，我们以宽带光源耦合，并通过光谱分析仪(OSA)测量宽波长范围内的功率分布。

弯曲诱导衰减测量示意图和计算公式

以典型的SMF-28 Ultra光纤为例，实际测量的弯曲诱导衰减曲线如下所示。曲线上有几个峰出现在某些波长上。我们根据单模光纤的基本含义来解释这些峰的成因。

光纤弯曲时，如果有两种模式，有些功率向高阶模式转移，而高阶模式有更高的弯曲损耗。如果接近某个模式不能被光纤传导的波长，这个模式就会有很高的弯曲诱导衰减。

三个越来越高的截止峰

首先看800 nm附近的这个峰，此时光纤中有几个传播模式。波长从800 nm附近增加时，弯曲诱导衰减上升，这是因为某个模式即将无法传导，所以弯曲诱导损耗非常高。波长继续增加时，那个模式从光纤中消失了，即光纤不再传导那个模式，因此衰减回到基线水平。

某个模式经历高衰减然后消失对应的波长叫做这个模式的截止波长。曲线的三个峰对应三种被截止的模式。随着波长变长，总模式数量变少，因此每个模式的功率占比变高，由此导致峰越来越高。

上述曲线最右边也是值得注意的地方，此处衰减好像几乎变为零了，这样我们就要引入截止波长的概念。如下图所示，截止波长是第二个模式开始无法被光纤传导时对应的波长，光纤由此进入单模工作波长范围，只能传导LP01模式，而且对弯曲不灵敏。

LP11截止波长分割多模和单模范围

让我们继续增加波长，看看会发生什么。对于下图的弯曲诱导衰减曲线，在单模波长范围，光纤基本没有弯曲诱导衰减，但右边又有一个峰开始升起。到达这么长的波长后，LP01基模的传导也变得更微弱了，开始出现高弯曲损耗。这实际上是峰的左侧，但因为往右光纤不能导光，所以我们无法测到另一边。这里也是LP01基模截止波长峰的起始，叫做弯曲边缘。

依次经过多模和单模波长范围后到达弯曲边缘

前面的弯曲诱导衰减测量采用25 mm半径的环，下面对比不同环半径下的衰减曲线，加入了20 、15、10和5 mm半径时的测量数据。环半径越小，第二模式越早变高损耗，也就是发生在更短的波长。但截至波长保持恒定(红色虚线)，不管环的尺寸多大。另外，弯曲半径越小，单模范围越窄。因此，如果光纤不弯曲，光纤能进一步朝红外区使用。

弯曲半径对不影响截止波长，但半径越小，截止峰和弯曲边缘都向越短波长偏移

最后介绍光谱衰减。我们要将光耦合到用线轴绕的几千米光纤中，测量功率和波长的关系。这种测试也使用宽带光源和光谱分析仪(OSA)。然后不改变耦合条件，在距离耦合点几米处剪断光纤，并把OSA接在P0点重新扫描测量功率和波长的关系。通过比较P1和P0的测量结果就能知道多少光损耗在两点之间。

这种方法叫做回截(cutback)法，它是测量线轴衰减的标准方法。用两点处的功率差除以光纤长度就能得到每米的衰减或平均衰减，但一般用dB/km表示。下面是测量示意图和计算公式。

回截法测量步骤和公式

下图展示了SMF-28单模光纤的光谱衰减曲线。这条曲线上也有不同模式的截止峰，可以看到LP11模式的截止、单模工作范围和弯曲边缘。曲线最右侧除了弯曲边缘的影响还有材料吸收，因为光通过了几千米长的玻璃光纤。波长接近2 μm时，由于多声子吸收，晶格吸收光子产生振动能量。在曲线左侧靠近紫外区时，衰减也开始上升。这也是因为材料吸收，但不是振动能量，而是电子被激发到更高能级，所以电子吸收是紫外衰减上升的原因。

与单模光纤不同的是，多模光纤的衰减曲线没有模式截止峰，但会有几个性质完全不同的吸收峰，而且最低衰减也远远达不到单模光纤的水平。不过曲线两侧来自材料的红外和紫外吸收边缘都是相似的。

衰减曲线：单模 vs 多模

以阶跃折射率单模光纤设计为例，我们能控制的两个变量是纤芯直径和光纤NA。下面展示了通过显微镜拍摄的两张光纤截面图。虽然纤芯尺寸相差很大，并且NA也不同，但两种光纤具有相同的截止波长。选择两组不同的参数，导光性能因此不同，但两者组合能实现相同的截止波长，因此这是设计单模光纤的两种不同途径。

标准通信光纤：8.2 μm纤芯、0.14 NA、MFD 9.05 μm @ 1550 nm、理论截止波长1285 nm。优势是MFD大，更好耦合

高NA波导熔接光纤：3.28 μm纤芯、0.35NA、MFD 3.621 μm @ 1550nm、理论截止波长1500 nm。优势是单模工作范围更宽、对弯曲更不灵敏

NA(数值孔径)与纤芯和包层折射率之差有关。NA越高，接收角越大。临界角越小，纤芯-包层界面的角度就能越陡，整体的导光能力越强。单模光纤NA一般在0.1左右，这是非常小的。

多模光纤输出实拍图

根据NA和纤芯直径能计算V数、截止波长和模场直径。V数小于2.405时，光纤只支持单模工作。截止波长的理论计算值比实际要大。

=πλ

λ=π2.405

≈[0.65+1.619V3/2+2.789V6−(0.016+1.561−7)]

3.3 现实世界中的单模光纤

实际因素使光纤偏离理论结果。首先看微弯。即使在桌面上放一段笔直的光纤，它的表现并不像理想的直线波导。这是因为光纤中总有些微弯，来源包括光纤中固有的缺陷、生产过程中产生的内部应力和布线时出现的局部外力。

微弯来源

由于微弯效应，LP11模式的截止波长将比理论预测的更短，而且弯曲边缘也会朝短波长偏移。在前面我们看到，SMF-28光纤的理论截止波长是1500 nm，而测量结果在1325 nm左右。

通过改进生产工艺可以减小微弯，比如使用双丙烯酸涂覆层。下图仍是SMF-28光纤的横截面，不过它有两个涂覆层。内涂覆层非常柔软，切光纤时它会受到轻微扰动，作用就像冲击吸收体，可以减小微弯。外涂覆层是硬质塑料，为光纤提供机械保护。

双涂覆层SMF-28光纤

另一个实际影响和折射率有关。为了设计光纤，我们能画出任意需要的形状，但现实中很难实现完美的阶跃折射率。这是由光纤预制棒的MCVD工艺决定的，由于玻璃逐层沉积，从上到下每层玻璃都没有均匀的折射率，因此经常看到的是锯齿图案，而且中心有个凹陷。虽然实际折射率轮廓看起来不理想，但光纤仍表现得几乎就像具有理想的阶跃折射率。

阶跃折射率：理想 vs 现实