多模光纤

定义与基本特征

多模光纤（Multimode Fiber, MMF）是指在相应工作条件下支持多个导模传输的光纤。光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式；对于不同入射角的光线，在纤芯-包层界面反射的次数不同，传递的光波间干涉也不同，因此形成不同的传播模式。多模光纤的纤芯直径较大，典型值为 50 μm 或 62.5 μm，传输模式不只一种。

按折射率分布分类

根据纤芯折射率沿半径方向的分布，多模光纤分为两类：

• 阶跃型多模光纤：纤芯折射率均匀，纤芯层到包层的折射率呈突变（阶跃）变化。不同模式的光线以不同路径传播，模式间路径差较大。
• 渐变型多模光纤：纤芯折射率非均匀，中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。光线在纤芯中传播时不断折射而弯曲，路径趋于正弦形，不同模式的轴向传播速度趋于一致，模间色散较小。

数值孔径与集光能力

数值孔径 NA 是光纤的重要参数，反映光纤的集光能力。NA 越大，表明光纤可在较大入射角 θi 范围内接收全反射光，集光能力越强，光纤与光源的耦合越容易，且能保证全反射向前传播。在光纤端面，只有入射角在某一张角范围内的光才能被光纤接收并传播；入射角超出此范围的光线将进入包层而散失（漏光）。但 NA 越大，光信号的畸变也越大，因此需适当选择 NA 的大小。石英光纤的 NA 典型范围为 0.2～0.4，对应光纤端面外介质为空气时的最大接收半角 θa 约为 11.5°～23.5°；该角由端面折射条件 sinθa = NA 确定，不是纤芯-包层界面的全反射临界角 θc。

优缺点与适用场景

多模光纤的缺点是：性能较差，模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，且随距离增加而更加严重。优点是：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易；传输距离一般只有几千米；可使用发光二极管（LED）或垂直腔面发射激光器（VCSEL）作光源，成本低（在 1 Gbit/s 以上高速网络中需采用激光器作光源）。多模光纤一般用于大型机房、数据中心内部的短距离通信，其光源与光纤的总成本较低。

与单模光纤的对比

单模光纤纤芯直径较小（一般为 9 μm 或 10 μm），只能传输一种模式，信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接、耦合较困难，适用于远程通信，且只能使用激光器（LD）作光源，成本高。多模光纤则纤芯直径较大，传输模式不只一种。虽然仅从光纤角度看单模光纤性能优于多模光纤，但在历史及短距离局域网场景中，多模光纤曾占有更大优势，并长期是短距离网络传输介质的主体；随着网络传输速率提高和 VCSEL 的使用，多模光纤在数据中心等短距离场景得到更多应用。

传输损耗

光信号在光纤中传播不可避免地存在损耗。光纤传输损耗主要包括：本征损耗（光纤固有损耗，包括瑞利散射、固有吸收等）、吸收损耗（因杂质吸收、材料固有吸收等引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因使用中挤压、弯曲引起）、对接损耗（因对接时不同轴、端面与轴心不垂直、端面不平、对接心径不匹配和熔接质量差等引起）。单模光纤与多模光纤因传输模式不同、产生的损耗不同而表现出不同特性，适用于不同场景。