光纤通信传输原理详解

图2 光纤光缆（图片来源于网络）

所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。 众所周知，全反射是当光从光密介质（折射率相对较高）入射到光疏介质（折射率相对较低）时，光不再发射折射，全部反射到原介质中去。 光纤最基本且最重要的原理已经讲完了，要求纤芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射临界角，这样才能保证光能够在光纤中一直传输下去（注：这里讲的都是阶跃型折射率光纤，就是最普通的光纤）。

图3 光纤的基本结构

那么第一个问题来了， 是不是只要满足全反射这个条件的光都能在光纤中传导下去？答案：不是，还需要满足一个条件：相位匹配条件 。怎么又是相位，哎，没办法，只要涉及到光，涉及到干涉，必定出现相位匹配这个东西！上一期非线性光学中也提到过相位匹配，干涉条件里面也有一项要求是相位差恒定。好，接下来进入高能时间。

首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即图4中θi角要大于全反射临界角，那么是否所有大于全反射临界角入射的光线都能传输，换句话说，入射角度是否和相位匹配条件有关？好，接下来我们分析图4。

图4 光纤传输相位匹配计算

图4中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），我们要的相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：

上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：

好，公式结束，如果你没看懂，这个不重要，重要的是我们得到了这个相位匹配条件跟什么有关系， 显然，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式） ，而且这个入射角是离散的。

图5 光纤不同模式光斑分布图（图片来源于网络）

反推，如何实现单模光纤？根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。 所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上 。

光纤特性

前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。第一个：损耗，即衰减。为什么光纤通信最近几十年才发展起来，因为之前光在材料中损耗太严重，导致没太大的利用价值，直到高琨先生实现了光波损耗在20 dB/km以下的光通信要求。

好，第二个问题来了， 光在光纤中传输的损耗是由什么造成的？很简单，大部分人都能想的到，可以分为三类：吸收、散射以及弯曲。

吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。

散射，在第8期：光的散射中详细介绍过，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。

第三种：弯曲。弯曲为什么会产生损耗？因为光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。

好，前面讲了光的损耗，接下来讲另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。

图6 材料色散图（图片来源于网络）

其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。图5就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。

光纤传感与通信

接下来，让我们从理论回到现实中吧。光纤最初的用途是用来通信的，所以现在我们来回答第三个问题：通常我们会说，人太帅拖网速，啊不，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？

举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。 所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。

最后一个问题，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？用来做传感，检测各种物理条件。小的时候，我经常在想，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？

图7 光纤瑞利散射回波信号图

从图7可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。

另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。

光纤知识介绍（从多模到单模到多芯少模）

​ 昨天介绍了常见的光纤连接器类型，与之配套的再来介绍一下光纤的类型的。先分个类：多模光纤，单模光纤，特种光纤。讲讲分别都有哪些种类，了解一下对应的性能，最新趋势怎样，关键时候用得上。

1. 预备知识

先来回顾一下预备知识点：模式和光纤结构和导光原理，光纤指标。

模式分为横模和纵模。横模是指垂直于光传输方向横截面上光场的分布，简言之就是横截面上光强分布，如基模，高阶模。而纵模指的是激光器的激射模式，指的是谐振频率或波长，如单纵模，多纵模。

光纤的结构本身仅包含折射率（掺杂浓度或成分不同）的包层和纤芯组成的。但为了加强其机械性能，一般还会在外面加上涂覆层和保护套，真正工程应用的时候还会做成光缆，多根光纤，并加强保护，便于施工和维护，如图1所示。

图1. 光纤和光缆的结构示意图

光纤的导光原理，往简单了说就是全反射，需要满足两个条件，一个是芯层折射率大于包层的，另一个是在反射面上的入射角大于临界角，这一点对应到端面上的入射角应该小于某个临界值，如图2所示，不断减小端面的入射角度，最终就可以完全把光限制在芯层中。（利用菲涅尔折射公式很容易计算临界角）。当然，光纤的导光原理远比这复杂，需要用到光纤光学，光波导理论，电磁场与电磁波等专业的知识，求解各种Maxwell方程组，精确地得到不同参数下光纤中的每个本征解，也就是横模了。然而这些知识，大多数人在日常生活工作中是用不上的。

图2. 从全反射理论解释光纤导光原理

通常来讲，光纤的指标主要包括：

a) 结构参数，纤芯直径（模块直径），芯层，包层折射率（或剖面上的分布）

b) 性能参数：截止波长，色散系数，损耗系数，非线性系数

光纤包层直径一般都是125um, 对于单模光纤纤芯直径，一般8~10um，而多模通常是62.5um 或50um。截止波长指的是满足单模工作的最小波长，光纤中的模式数量与纤芯直径，芯包层相对折射率差相关，一般芯径越大，模式数越多，截止波长越大。相对折射率差越大，光纤对光的束缚力越强，截止波长越大。光纤色散通常包含：色度色散，不同频率成份传输速度不同引起的脉冲展宽。色度色散包括波导色散和材料色散，具体的波导色散，指全反射时临界面上部分光先进入到包层后又返回芯层，这部分的光也会造成光脉冲展宽，而材料色散，指波导材料对不同频率的光的折射率不同引起的传输速度的差异导致的脉冲展宽。模式色散，指不同模式之间传输路径不同，导致的时延扩展，这个只在多模光纤中存在。另外，还有偏振模色散，光纤中不同偏振态上传输速度的差异（光纤非对称性，工艺缺陷，应力等可造成），也会引起偏振模色散。

光纤的损耗则包括固有损耗和附加损耗。附加损耗很容易理解，就是在使用的时候由于弯曲，连接，拉伸等造成的额外损耗。固有损耗是光纤材料和结构决定的，如本征吸收和瑞利散射。

下面具体讲讲常用的光纤有哪些类型吧。根据ITU-T的标准，通信光纤分为：G.651～ G.657共7个大类。其中G.651是多模光纤，G.652~G.657是单模光纤。

单模和多模的区别，除了纤芯直径的区别外，光在光纤里面传输的路径形态也不同，如图3所示。

图3. 单模和多模光纤异同

2. 多模光纤

G. 651光纤 ：50/125 um的渐近折射率型多模光纤，工作波段850nm。这种光纤主要在早期光通信系统中用于中小容量、中短距传输，现已不多见。

除了ITU-T之外，ISO/IEC还定义了OM1~OM5这五大类多模光纤，如图4所示，主要应用于局域网（LAN）和数据中心互联（DCN）。

图4. OM1~OM5光纤特性小结

OM1/OM2光纤 ：两种早期的多模光纤，二者都支持850nm传输1G的速率，采用的光源通常是LED，主要应用场景是短距传输，如局域网（LAN）和私用网络。其中OM1的纤芯直径是62.5um,最大传输距离支持300m,而OM2的纤芯直径是50um,最大传输距离扩展到600m。不过一般情况下人们还是用OM1传100M，而用OM2传输1G的业务。

OM3/OM4光纤 ：升级优化后的多模光纤，芯径均为50um,支持的传输速率高达10G，工作波长仍为850nm,不过配套的光源是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。通过多对光纤并行复用，采用OM3或OM4光纤可以支持40G，100G以太网传输，用于高速数据中心或公司及学校园区网络。

OM5光纤 ：最新的多模光纤，支持850到953nm波长的超宽带传输，也称为WBMMF，其芯径也是50um。它支持采用短波长复用（SWDM）技术在一根OM5光纤内来实现40G或100G传输速率。其中SWDM复用的四个波长分别是850nm、880nm、910nm和940nm。相比于之前的MPO接口的并行传输方案，OM5中复用多路波长传输在实现高速率的同时也极大地节省了光纤资源，特别是在 200G/400G以太网场景下。

衡量多模光纤的性能，有一个非常重要的指标，叫有效模式带宽（EMB），如下表所示，不同类型多模光纤的EMB一般不同。

表1. 不同类型多模光纤的有效模式带宽要求

不同类型的多模光纤搭配不同的光模块，在40G和100G速率下支持的最大传输距离如下表所示。

表2. 不同光纤类型和收发器类型支持的传输距离

几种多模光纤跳线一般用颜色来区分，如图4所示。多模光纤应用广泛还是得益于它配套的光耦合效率高、光收发器（包括光源）成本低，但传输速率和距离比较有限，因而主要还是在短距离应用。不过最近也在向消费子市场渗透，比如将有源光缆AOC用于分体式电视机主机与屏幕连接，多模光纤也开始走向家庭应用。但值得注意的是多模光纤本身的单价成本还是比单模光纤高的（因为芯径大，耗费的拉丝材料也多一些）。

3. 单模光纤

单模光纤的标准主要是ITU-T的G.652~G.657，下面分别介绍之。

G.652 ：普通单模光纤，是目前应用最广泛的光纤大类，大量应用于长途、骨干和城域网中。其特点零色散波长位于1300附近，低损耗窗口是1300和 1550nm两个窗口。1550nm处损耗最小，但色散较大，色散系数约为18ps/nm/km。根据宏弯损耗、衰减系数、PMD系数上的差异，G.652还可以细分为四个小类，具体参数如表3所示。其中G.652D的指标最严格，且向下兼容，结构上与普通的G.652光纤没有区别，是目前最先进的城域网用非色散位移光纤。

表3. G.652光纤子类的指标对照表

G.653 ：色散位移光纤（DSF），由于普通单模光纤在低损耗窗口1550处传输信号时会受到色散的影响，为了解决色散问题，人为地将零色散点移到了1550处，如下图所示。这种光纤，在1550处既有低损耗，又没有色散，看似完美，然而后发现，WDM传输时，容易引起四波混频（FWM）这一非线性效应，影响性能，不适合WDM传输应用，后来只能被淘汰。

图5. G.653与G.652光纤色散对比

G.654 ：截止波长位移光纤，主要用于海缆通信系统，为适应海缆通信长距离、大容量的需求，G.654光纤主要做了两个方面的改进。（1）降低光纤的损耗；从G.652的0.22dB/km降到了0.19dB/km（标准值）。（2）增大光纤的模场直径减轻光纤的非线性效应，自然还带来了另外的影响，那就是截止波长后移，从1260移到1530nm了。性能是改善了，但是光纤的波长窗口严重缩短了，也不能支持密集波分复用了。

G.655 ：非零色散位移光纤（NZ-DSF），这个是对G.653光纤的修正版本，既然零色散不行，那就把1550处的色散减小到0附近，但不为0，这样就真的完美了，可以支持WDM了。这一个补丁，让G.655光纤在2000年前后的20多年时间内，一直是长途干线的首选。但是近年来，由于数字相干通信的快速发展，使得光纤色散的不再是通信系统的难点，G。655光纤估计很快又要被G.652光纤给取代了。

G.656 ：宽带NZ-DSF，由于G.655光纤的可使用波长范围为1530nm～1625nm（C+L波段），为了扩展使得S波段（1460~1530nm）也可用，在保证零色散波长不变的基础上，减小了色散斜率。这种强行对G。655光纤的修正，估计也很难取得大规模商用的机会，因为S波波段的器件还不成熟。

G.657 ：弯曲不敏感光纤，其弯曲半径可以比G.652小得多，如下图所示。G.657又可分为A和B两个子类，A主要是用于光接入网传输的，B用于光接入户内的。

图6. G.657和G.652光纤弯曲半径对比

4. 特种光纤

保偏光纤（PMF） ：顾名思义，就是偏振保持用的，但是不是所有的偏振态都可以保持呢？其实不是，只能保持沿光纤快轴和慢轴输入的线偏光。常用于光器件尾纤、光纤陀螺和光纤传感。

色散补偿光纤（DCF） ：负色散光纤，通常色散系数很大(-100ps/nm/km左右)，用来抵消普通单模光纤的正色散，从而实现补偿的目的。

高非线性光纤（HNLF） ：特殊设计的具有较高的非线性系数的光纤，主要是用于研究的目的，比如利用光纤非线性效应做各种loop mirror，参量放大，波长转换、产生超连续谱，用于微波光子学信号处理等。

掺铒光纤（EDF） ：有源掺杂的光纤，利用在Pump光作用下，稀土离子能级跃迁，产生受激辐射，对输入光进行放大，可常用于光放大器如EDFA，或光纤激光器。

多芯光纤（MCF） ：多个纤芯共用一个包层，具有多个独立的并行通道，每个芯都是单模，一般芯间串扰比较小。目前已经报道的最多有19芯单模光纤，其外径略大于普通单模光纤，每个芯的性能指标接近普通单模光纤水平，如下图所示。可用于光纤传感及下一代大容量空分复用光纤通信技术研究。

图7. 19芯单模光纤截面图

少模光纤（FMF） ：与多模光纤类型，稍微增大单模光纤的芯径，使得光纤中仅有少数几个模式传输，以便于控制模式间的串扰和时延。目前报导的少模光纤支持的模式数量已经高达6个，如图

多芯少模光纤（MC-FMF） ：结合多芯光纤和少模光纤的特点，每个芯都是少模光纤，目前已报道的空间信道数已经多达100多个，如19芯6模光纤，和36芯3模光纤。

图8 两种多芯少模光纤端面

基于多芯少模光纤的超大容量光通信技术已经被广泛关注，国际上实现的最大容量已经高达10Pb/s。部分研究情况如下表。

表4. 部分基于多芯光纤光纤的光传输报道

光子晶体光纤/空芯光纤（PCF）： 如图9所示，PCF有很多周期性排列的光子晶体和空气孔，与传统的光纤导光原理不同，PCF利用光子晶体带隙效应把光子限制在低折射率的空气中。PCF有很多奇特的特性，被用于很多科研领域，如传感，最近也被用于光纤通信，因为其潜在的工作波长范围，而且在空气中导光，传输速度快，适用于低时延传输。不过目前，PCF的损耗还比较大，大于1dB/km。

图9. 光子晶体光纤截面图

5. 通信用光纤趋势

首先从历史上来看，光纤经历了62.5um的多模，然后到50um多模，再到单模，纤芯直径逐渐减小，以获得更好的传输容量。而从目前学术界对空分复用（SDM）技术的研究兴趣来看，未来想要进一步发展到多芯少模光纤已经成为不可阻挡的趋势。而且随着可复用模式数目的增加，似乎纤芯直径又有增大的趋势。也许技术就是这样反反复复，就像相干探测最早在上世纪八九十年代就发现了，但直到2006年左右才又被重新重视起来。而且空分复用在光纤中应用，应该可以追溯到1982年，那时候人家就已经研究了多个模式群的复用，其实非常类似于现在的少模复用，只是那时候DSP不发达，消除不了模间干扰。而多芯光纤的概念也早在1998年就被用于图像传输了。所以做研究也无所谓新不新了，把技术在合适的时间点用到合适的地方解决了实际的问题，或者有望解决未来的问题，都是很好的研究。找到风口了，无论是旧瓶装新酒还是换汤不换药都是制胜的法宝。

图10. 光纤纤芯尺寸演进

关于多芯少模光纤（空分复用技术）走向实用的问题，我觉得未来还是有可能可以找落地点的，至少在短距离的数据中心互连中取代并行单模（PSM）这种技术还是很有优势的，结合大规模光电集成，不仅可以降低功耗，还可以大幅提升端口密度，数十倍地提升容量。空心光纤的超宽带，如果有配套的激光器支持如此宽的频谱范围，在超大容量短距互连中终将也能找到用武之地了。

针对长距传输，有着超低损耗，大有效面积的G.654E 光纤将会是未来超高速通信系统的主要传输媒介。国内长飞早在16年就与中国联通一起研究了超低损的新型光纤在WDM系统中应用情况，目前已经具备研发和生产能力。三大运营商也纷纷针对G.654E光纤进行集采测试和招标，预计最近会陆续开通试商用。

关于新型光纤的设计和制造，国内公司在技术布局和产品开发上也算是走在世界前列的。比如早在15年长飞公司就与华科合作设计并制造了低串扰和损耗的7芯光纤和配套的扇入扇出器件，支撑了我博士阶段所水文章的半壁江山，半年后还能提供4模光纤样品，据说空分复用相关的产品还远销国内和北欧。烽火藤仓也能设计和制造7芯光纤，2~4模的少模光纤，甚至去年还成功拉制了19芯光纤。如果业内还有公司在空分复用光纤成缆，光纤熔接，弯曲损耗优化，空分复用器/解复用器，空分复用光放大器，集成光收发芯片等方面投入科研并形成产业合力，我们一定会在未来的超高速光通信时代牢牢占据先机。同时如果克服技术难点，把有源掺杂光纤如铒纤，镱纤，铒镜共掺光纤达到量产水平，同时保证高性能，那时候关键技术，国之重器，自然也就立于自身了。

参考资料

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[2] http://www.iccsz.com/site/cn/News/2018/11/26/20181126074731427483.htm?from=groupmessage

[3] https://vitextech.com/om1om2om3-difference/

[4] https://www.chatsworth.com/en-us/industrial/news-events/blogs/april-2017/what%E2%80%99s-the-deal-with-om5

[5] http://www.iccsz.com/site/cn/News/2017/11/06/20171106092255236000.htm

[6] https://www.thefoa.org/tech/smf.htm

[7] https://www.wandouip.com/t5i133546/

[8] https://community.fs.com/blog/what-kind-of-single-mode-fiber-should-you-choose.html

[9] https://www.yofc.com/view/1648.html

[10] https://www.semanticscholar.org/paper/6-Mode-19-core-fiber-for-weakly-coupled-over-cores-Hayashi-Nagashima/8dd83730d7f189b08329861f5c895e1bb9c38d2a/figure/2

[11] https://www.kddi-research.jp/english/newsrelease/2017/092201.html

[12] https://www.nict.go.jp/en/press/2015/04/24-1.html

[13] Spencer,J. Larry. "Multimode fiber optic wavelength division multiplexing."(1982).

[14] Kwong,Wing C., and Guu-Chang Yang. "Image transmission in multicore-fibercode-division multiple-access networks." IEEE communications letters 2.10(1998): 285-287.

[15] Sasaki,Yusuke, et al. "Few-mode multicore fibers for long-haul transmissionline." Optical Fiber Technology 35 (2017): 19-27.

[16] http://www.c114.com.cn/4app/3542/a1078156.html

[17] https://www.yofc.com/view/1519.html

注：本文首发于本人微信公众号：光通信充电宝。

作者：华仔

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