单模光纤和多模光纤

光沿直线传播，但是有了光纤，那么光纤可以“横着走”！

光纤凭借其高带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，被广泛应用于通信骨干网 、医疗内窥镜与激光手术 、工业自动化与传感器监测 、军事雷达导航与保密通信 、交通监控与光伏系统等领域，成为支撑现代信息社会的关键基础设施。作为光学工程师，光纤知识是绕不开的，这里对单模光纤及多模光纤进行讲解，看完区分二者没问题了！

一、单模和多模的物理差异

1、纤芯直径

单模光纤：纤芯极细，仅 8-10微米（约为头发丝的1/10），包层直径统一为125微米 。纤芯与包层的折射率差极小（约0.3%），通过归一化频率限制仅允许基模传播。

多模光纤：纤芯较粗，为 50或62.5微米，包层同样为125微米。较大的纤芯允许多种光模式共存，但折射率分布更复杂（阶跃或渐变型） 。

2、护套颜色标识

单模光纤通常采用 黄色护套，多模光纤则根据类型使用 橙色（OM1/OM2）、湖蓝色（OM3/OM4）或 水绿色（OM5）护套 。

二、传输特性对比

1、传输模式与色散

单模光纤：仅允许基模（HE11模）直线传播，无模间色散，信号畸变极小。色散主要来自材料色散和波导色散，可通过零色散波长设计优化 。

多模光纤：支持数十至数百种传播模式，不同模式的传播路径和速度差异导致模间色散，显著限制带宽和传输距离 。

2、带宽与传输距离

单模光纤：理论带宽无限（仅受材料限制），实际支持 100Gbps以上 传输，衰减低至 0.2dB/km，适合超长距离 。

多模光纤：带宽受限于模间色散，典型值为 2.5-28GHz·km（OM5可达28GHz·km），传输距离通常 <1公里（OM5最长支持500米@100Gbps） 。

3、光源与信号质量

单模光纤：需使用激光二极管（LD），光谱纯净（如DFB激光器），波长集中在 1310nm或1550nm，信号稳定性高 。

多模光纤：采用LED或垂直腔面发射激光器（VCSEL），波长多为 850nm或1300nm，光信号发散性大，成本低但易受干扰 。

4、性能与成本

单模光纤在3000英尺距离下仅损失 6.25% 信号强度，而多模光纤损失高达 50% 。单模系统光纤纤芯加工精度要求高，且需配套激光器、高精度接收器等，整体成本为多模的 5-10倍 。多模系统制造工艺简单，光源和接收设备成本低，适合短距离场景的性价比需求 。

三、关键设计参数

1、归一化频率（V参数）

单模传输需满足 V < 2.405，通过纤芯直径、波长和折射率差计算得出，确保仅基模存在 。多模光纤的V值远高于此阈值，允许多模式共存 。

2、截止波长

单模光纤的 截止波长（λc）是实现单模传输的最小工作波长，若实际波长小于λc，则可能激发高阶模 

知识点：模间色散

文中加粗加蓝的知识点，都对应的是模间色散。

单模和多模光纤的差异，在于单模光纤仅允许基模，而多模光纤有高阶模，那么这个限制原理是基模唯一性原理。单模光纤的纤芯直径（通常为8-10μm）与光波长（如1550nm）处于同一量级 。

根据波动光学理论，当光纤的归一化频率（V参数）满足

V=[(2πa)/λ]*(n1*n1-n2*n2)^0.5

时（a为纤芯半径，n1、n2为纤芯与包层折射率），仅允许基模（HE11模）传播，高阶模式被截止 。这一条件通过纤芯尺寸的严格设计实现，从根源上消除了多模共存的可能性。单模的V < 2.405，这也就是为什么单模仅允许基模的原因，这也就是为什么多模存在模间色散的原因。

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