单模与多模光纤：深入解析与应用

在现代通信系统中，光纤技术是不可或缺的一部分，它以其高速度和大容量传输数据而闻名。光纤主要分为两种类型：单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）和多模光纤（Multimode Fiber, MMF）。这两种光纤在核心直径、传输模式、带宽、衰减、颜色编码、距离和成本等方面都有所不同。

光纤的基本原理

光纤是一种利用光来传输信息的介质。它由非常纯净的玻璃或塑料制成，能够以光的形式传输数据。光纤内部有一个称为“核心”的中心区域，光通过这个区域传播。核心周围是另一层玻璃或塑料，称为“包层”，其折射率低于核心，这样可以保持光在核心内部反射传播。

单模光纤（SMF）

单模光纤的核心直径非常小，通常约为9微米。它设计用于单一模式的传输，这意味着光线几乎是直线传播，几乎没有反射。这种传播方式减少了衰减和信号失真，使得单模光纤能够在没有信号增强的情况下传输更远的距离。单模光纤通常用于长距离传输，如跨城市或跨洲的连接。

特点

核心直径：约9微米
传输模式：单一模式
带宽：理论上无限
衰减：较低
颜色编码：通常为黄色
距离：可达数十公里甚至更远
成本：光纤本身较便宜，但相关设备成本较高

多模光纤（MMF）

多模光纤的核心直径较大，通常为50微米或62.5微米。它允许多种模式的光同时传输，这意味着光在核心中以不同的角度反射和折射。这种多路径传播会导致模式色散，从而限制了传输距离和带宽。多模光纤通常用于较短的距离传输，如在一个建筑物或校园内的连接。

特点

核心直径：50微米或62.5微米
传输模式：多种模式
带宽：较高，但随距离增加而降低
衰减：较高
颜色编码：通常为橙色或水绿色（OM3和OM4）
距离：几百米到几公里
成本：光纤和相关设备成本较低

单模与多模光缆

单模意味着光纤一次可以传播一种类型的光模式。而多模意味着光纤可以传播多种模式。单模和多模光缆的区别主要在于纤芯直径、波长和光源、带宽、色护套、距离和成本。

芯径

单模光纤纤芯直径比多模光纤小得多。其典型芯径为 9 μm，即使还有其他可用。多模光纤纤芯直径通常为50μm和62.5μm，使其具有更高的“聚光”能力并简化连接。单模和多模光纤的包层直径为125μm。

Figure 1 Optical Fiber Core Diameters.png

多模光纤的衰减高于SM光纤，因为它的纤芯直径更大。单模光缆的纤芯非常窄，因此通过这些光缆的光不会被反射太多次，从而将衰减保持在最低限度。

9/125 单模光纤单工		50/125 OM3 多模光纤
1310nm处的衰减	0.36 分贝/公里	850 nm 处的衰减	3.0 分贝/公里
1550nm处的衰减	0.22 分贝/公里	1300 nm 处的衰减	1.0分贝/公里

波长和光源

由于多模光纤的纤芯尺寸较大，因此在多模光缆中使用了一些低成本的光源，如LED（发光二极管）和VCSEL（垂直腔面发射激光器），它们在850nm和1300nm波长下工作。而单模光纤通常使用激光器或激光二极管来产生注入电缆的光。而常用的单模光纤波长分别为1310nm和1550nm。

带宽

多模光纤带宽受其光模式限制，目前OM5光纤的最大带宽为28000MHz*km。而单模光纤带宽在理论上是无限的，因为它一次只允许一种光模式通过。

色鞘

根据 TIA-598C 标准定义，对于非军用应用，单模电缆涂有黄色外护套，多模光纤涂有橙色或浅绿色护套。在此处查找有关光纤电缆颜色代码的更多详细信息。

Figure 2 Color Sheath of SMF and MMF.jpg

单模与多模光纤距离

众所周知，单模光纤适用于长距离应用，而多模光纤则专为短距离运行而设计。那么，当涉及到单模与多模光纤距离时，有哪些可量化的差异？

光缆类型		光纤距离
		快速以太网 100BA SE-FX	1Gb 以太网 1000BASE-SX	1Gb 以太网 1000BA SE-LX	10Gb 基础 SE-SR	25Gb 基础 SR-S	40Gb 基础 SR4	100Gb 基础 SR10
单模光纤	操作系统2	200米	5000米	5000米	10公里	/	/	/
多模光纤	OM1型	200米	275米	550m（需要模式调节跳线）	/	/	/	/
	OM2型	200米	550米		/	/	/	/
	OM3型	200米	550米		300米	70 分钟	100米	100米
	OM4型	200米	550米		400米	100米	150米	150米
	OM5型	200米	550米		300米	100米	400米	400米

从图表中我们可以看到，在1G到10G的数据速率下，单模光纤距离比多模光缆的距离要长得多，但OM3/OM4/OM5多模光纤支持更高的数据速率。由于多模光纤的纤芯尺寸较大，并且支持多种光模式，因此其光纤距离受到模态色散的限制，这是多模步进折射率光纤中常见的现象。而单模光纤则不是。这就是它们之间的本质区别。此外，OS2单模光纤可以支持40G和100G链路的更长距离，这在表中未列出。

单模与多模光纤成本

“单模与多模光纤成本”是一些论坛的热门话题。许多人表达了自己的意见。他们的观点主要集中在光收发器成本、系统成本和安装成本上。

应用场景

单模光纤应用

长距离通信：用于城市间、洲际或海底光缆。
电信运营商：用于宽带互联网、电视和电话服务的基础设施。
高速网络：用于需要高带宽和低延迟的数据中心和企业网络。

多模光纤应用

数据中心：用于连接服务器、存储系统和网络设备。
办公网络：用于连接办公室内的计算机和打印机。
视频监控：用于连接摄像头和监控中心。

系统成本

为了利用单模光纤的基本特性，单模光纤通常适用于更长距离的应用，需要具有激光器的收发器，这些激光器在更长的波长下工作，光斑尺寸更小，光谱宽度通常更窄。这些收发器特性，加上对更高精度对准的需求和对更小纤芯直径的更严格的连接器容差，导致单模光纤互连的收发器成本显著增加，整体互连成本也更高。

Figure 3 System Cost.png

基于VCSEL的收发器的制造方法经过优化，可与多模光纤一起使用，更容易制造成阵列设备，并且比同等的单模收发器成本更低。尽管使用了多光纤通道和多收发器阵列，但与单模技术相比，采用单通道或多通道操作的单工-双工连接可显著节省成本。多模光纤系统为使用基于并行光纤的互连的基于标准的本地应用提供最低的系统成本和 100G 的升级路径。

安装成本

单模光纤的成本通常低于多模光纤。在构建1G光纤网络时，您希望最终能够达到10G或更快的速度，单模光纤成本的节省节省了大约一半的价格。而多模 OM3 或 OM4 光纤使 SFP 模块的成本增加了 35%。单模光学器件更昂贵，但更换多模的人工成本要高得多，尤其是在OM1—OM2—OM3—OM4之后。如果您愿意查看二手的前光纤通道 SFP，那么单模 1G 的价格会下降到最低限度。如果您有预算并且需要 10G 短连接，那么最后检查的经济性仍然支持多模。不过，请密切关注这些经济效益，因为历史表明，单模的价格溢价将会下降。