单模光纤

定义与判据

光纤模式指光波在光纤中传播的途径和方式。不同入射角的光线在纤芯—包层界面反射次数不同，光波间干涉情况不同，对应不同的传播模式。单模光纤指在相应工作条件下仅支持一个导模的光纤。模式数量由归一化频率等参数决定，当纤芯直径足够小、工作波长足够长时，高阶模式被截止，只剩基模传播。

结构特点

单模光纤的纤芯直径较小，教材给出的一般值为 $9\mu \mathrm{m}$ 或 $10\mu \mathrm{m}$，远小于多模光纤的 $50\mu \mathrm{m}$ 或 $62.5\mu \mathrm{m}$。纤芯与包层折射率关系仍满足全反射条件，数值孔径 $\mathrm{N}\mathrm{A}$ 由
$\mathrm{N}\mathrm{A}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$
描述，其中 $n_1$ 为纤芯折射率，$n_2$ 为包层折射率。芯包界面全反射的临界角 ${\theta }_{\mathrm{c}}$ 满足 $\sin {\theta }_{\mathrm{c}}=n_2\mathrm{/}{n}_1$；而 $\sin {\theta }_{\mathrm{a}}=\mathrm{N}\mathrm{A}$ 给出的是空气端面接收半角 ${\theta }_{\mathrm{a}}$，二者不可混用。$\mathrm{N}\mathrm{A}$ 反映集光能力，$\mathrm{N}\mathrm{A}$ 越大，允许全反射入射的角度范围越大，与光源耦合越容易；在支持多个导模的多模光纤中，$\mathrm{N}\mathrm{A}$ 越大，模式间传播常数差异越大，模间色散引起的信号畸变也越大。石英光纤的 $\mathrm{N}\mathrm{A}$ 约为 $0.2\sim 0.4$，对应 ${\theta }_{\mathrm{a}}$ 约为 ${11.5}^{\circ }\sim {23.5}^{\circ }$。

传播特性与光源

单模光纤只传输一种模式，因此不存在多模光纤中严重的模间色散，信号畸变小、带宽高、信息容量大、性能取决于具体传感结构。其代价是纤芯直径小，制造、连接、耦合较困难。单模传输通常采用便于耦合的激光器，光源选择由光谱、功率和链路要求决定；多模光纤可用发光二极管（LED）或垂直腔面发射激光器（VCSEL）作光源，成本低。

损耗与适用场景

光纤传输损耗包括本征损耗（瑞利散射、固有吸收等）、吸收损耗（杂质吸收、固有吸收等）、散射损耗（材料密度及浓度不均匀、折射率不均匀、拉制时粗细不均匀等引起）、光波导弯曲损耗（挤压、弯曲引起）和对接损耗（不同轴、端面不垂直或不平、芯径不匹配、熔接质量差等）。单模与多模因传输模式不同、损耗特性不同而适用于不同场景。单模光纤一般用于城市主干网络、海底光缆等长距离传输；多模光纤一般用于大型机房、数据中心内部的短距离通信。