4. 光纤传输基础

光纤之所以能把光“关”在纤芯里长距离传输，靠的不是反射镜，而是纤芯与包层之间微小的折射率差。理解多模与单模光纤的差别，本质上就是理解三件事：折射率如何分布、光能以什么角度进入纤芯、以及纤芯里到底允许存在几种“走法”。这三件事分别对应折射率剖面、数值孔径 NA 和模式数量，它们共同决定了光纤的带宽、损耗和适用距离。

一、结构：纤芯、包层与涂覆层

标准石英光纤从内到外分为三层。最内层是纤芯（core），掺杂锗等元素使折射率略高，是光的主要传输通道；中间是包层（cladding），折射率略低，通常为纯石英，直径固定为 125 μm，作用是约束光场；最外层是涂覆层（coating），直径约 250 μm，用于机械保护和防潮，不参与导光。纤芯直径是区分多模与单模最直观的参数：多模光纤常见 50 μm 或 62.5 μm，单模光纤仅约 9 μm。

折射率差用相对折射率差 Δ 表示：Δ = (n₁ − n₂)/n₁，其中 n₁ 为纤芯折射率，n₂ 为包层折射率。典型石英光纤 Δ 约为 0.3%～1%，看似很小，却足以让光在纤芯-包层界面发生全反射。

二、折射率分布：阶跃型与渐变型

多模光纤按折射率剖面分为两类。阶跃型（SI）纤芯内折射率均匀，纤芯与包层之间突变，光在界面处折返前进；不同模式走过的路径长度差异大，到达终点的时间差大，导致模式色散严重，带宽低，现已少用。渐变型（GI）纤芯折射率从中心向边缘逐渐降低，呈近似抛物线分布。光在中心走“慢介质、短路径”，在边缘走“快介质、长路径”，两者时间趋于一致，模式色散大幅减小。因此现代多模光纤几乎都是渐变型，如 OM3/OM4/OM5。

单模光纤纤芯极细，只允许基模传播，折射率剖面多采用阶跃型，并常设计为匹配包层或凹陷包层结构，以降低弯曲损耗、优化色散。剖面设计是单模光纤性能差异（如 G.652、G.655）的核心来源。

三、数值孔径 NA：光能进入的角度范围

数值孔径描述光纤接收光的能力，定义为 NA = √(n₁² − n₂²) ≈ n₁√(2Δ)。它对应一个最大接收角 θmax，满足 NA = sin θmax（光从空气入射）。只有入射角小于 θmax 的光才能被纤芯捕获并传播，形成“接收锥”。

以典型多模光纤为例：n₁ = 1.480，n₂ = 1.465，则 NA = √(1.480² − 1.465²) ≈ √(2.1904 − 2.1462) ≈ √0.0442 ≈ 0.21，对应 θmax ≈ 12.1°，全接收锥角约 24°。单模光纤 NA 通常为 0.10～0.14，接收角更小，因此与光源耦合更困难，需要更精密的对准。NA 越大，越容易耦合进光，但模式数也越多、色散越大——这正是多模与单模取舍的物理根源。

四、模式特性：从“多种走法”到“唯一走法”

模式是光在纤芯中满足边界条件后能够稳定存在的电磁场分布。可以用归一化频率 V 判断光纤能支持多少模式：V = (2πa/λ)·NA，其中 a 为纤芯半径，λ 为波长。当 V < 2.405 时，光纤只支持基模 LP₀₁，即单模传输；V 越大，模式越多。多模光纤的模式总数近似为 M ≈ V²/2。

以 850 nm 波长、50 μm 纤芯、NA = 0.20 的多模光纤为例：a = 25 μm，V = (2π×25/0.85)×0.20 ≈ (184.8)×0.20 ≈ 36.96，M ≈ 36.96²/2 ≈ 683 个模式。可见多模光纤中同时存在数百种传播路径，这正是模式色散和带宽受限的根源。而单模光纤在 1310 nm 处 V ≈ 2.0～2.4，仅基模存在，从根本上消除了模式色散，因此适合长距离、高速率传输。

五、工程选型要点

实际工程中，多模光纤（OM3/OM4）配合 850 nm VCSEL 光源，用于数据中心内 100～400 m 短距互联，成本低、耦合容易；单模光纤（G.652.D）配合 1310/1550 nm 激光器，用于城域、骨干和长途，损耗低（0.2 dB/km 量级）、带宽近乎无限。选型时需同时核对工作波长、NA 匹配、光源类型与链路预算，避免“多模光纤接单模模块”这类典型错误。