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فارسی 光的传播方式：反射、模式与数值孔径
光纤是一种波导：玻璃纤芯外包覆折射率略低的玻璃，因此以小角度到达边界的光会被反射回去而不是逸出。由这一个事实引出了单模与多模光纤的区别、决定光源有多少光能耦合进入的接收角、紧弯曲为何会漏光，以及数据手册中提到的 OM1–OM5 和 OS2 等级。本页对这部分物理原理的讲解深度以链路设计的实际需要为准。
光纤的结构
| 层 | 直径 | 材料 | 作用 |
|---|---|---|---|
| 纤芯 | 9 µm（单模），50 或 62.5 µm（多模） | 掺锗石英（折射率更高） | 传导光 |
| 包层 | 125 µm | 纯石英或掺氟石英（折射率更低） | 通过全反射约束光 |
| 涂覆层 | 250 µm（或 200 µm） | 丙烯酸酯 | 机械保护；在光缆中按颜色编码 |
| 束管/护套 | 900 µm 紧包覆，或松套管 | 塑料 | 便于操作；不属于光学部分 |
纤芯与包层之间的折射率差极小——约 0.3–0.5 %——但已经足够，因为光几乎平行于轴线传播。
全反射与数值孔径
光从密度更大的介质进入密度更小的介质时会偏离法线；超过临界角后会发生全反射。在光纤中，这意味着轴线周围锥形范围内的光线会被约束住。该锥形在空气中的半角由数值孔径决定：
| 光纤 | NA | 接收半角 | 含义 |
|---|---|---|---|
| 单模 G.652 | ≈ 0.12–0.14 | ≈ 7–8° | 只有窄而对准良好的光束才能耦合进入——仅限激光光源 |
| 多模 50 µm（OM2–OM5） | 0.20 | ≈ 11.5° | 接收范围宽——VCSEL 和 LED 都容易耦合 |
| 多模 62.5 µm（OM1） | 0.275 | ≈ 16° | 最宽；老式规格 |
NA 越大，耦合越容易，但模式数越多，模式色散也越大。
模式
模式是能沿波导传播的稳定场分布。模式数量取决于纤芯尺寸、NA 和波长（用 V 数表示）：
| 光纤 | 850 nm 处模式数 | 1310 nm 处模式数 | 后果 |
|---|---|---|---|
| 9 µm 单模 | —（会是少模） | 1 | 无模式色散；传输距离由衰减和色度色散决定 |
| 50 µm 多模 | 数百 | 约 100 | 模式色散限制带宽 × 距离积（参见色散与带宽） |
| 62.5 µm 多模 | 约 1 000 | — | 模式色散最严重 |
单模光纤只有高于截止波长时才是单模的（G.652 约为 1 260 nm）：在 850 nm 处它会携带多个模式，这就是为什么 850 nm 的 SR 模块用在单模光纤上不能正常工作，也是为什么"单模配 1310/1550" 才是正确搭配（参见物理失配）。
阶跃折射率与渐变折射率
| 类型 | 折射率形状 | 应用于 | 效果 |
|---|---|---|---|
| 阶跃折射率 | 纤芯折射率恒定，到包层处骤降 | 单模光纤 | 对单一模式而言没有意义 |
| 渐变折射率 | 抛物线形：轴心处最高，向包层逐渐降低 | 所有电信多模光纤（OM1–OM5） | 外侧光线走得更远但更快（折射率更低），因此各模式几乎同时到达——模式色散比阶跃折射率降低 100 倍 |
渐变折射率分布的精度正是区分 OM3（2 000 MHz·km）与 OM4（4 700 MHz·km）的关键：相同的几何结构，更精确的折射率曲线。
模场直径与耦合损耗
在单模光纤中，光并不局限于 9 µm 的纤芯之内；其模场直径（MFD）在 1310 nm 处约为 9.2 µm，在 1550 nm 处约为 10.4 µm。两根 MFD 不同的光纤相接，或连接器存在横向偏移，都会造成光损耗：
| 失配情况 | 损耗 |
|---|---|
| 1 µm 横向偏移（SMF） | ≈ 0.2 dB |
| 2 µm 横向偏移 | ≈ 0.8 dB |
| MFD 9.2 对比 10.4 µm（G.652 对 G.657.B 或 DSF） | ≈ 0.1–0.3 dB |
| 50 µm 纤芯接入 62.5 µm 纤芯 | ≈ 0 dB（损耗发生在反方向） |
| 62.5 µm 纤芯接入 50 µm 纤芯 | 2–4 dB |
| SMF 接入 MMF | 接续点 ≈ 0 dB，但会激发多个模式→模式噪声 |
| MMF 接入 SMF | > 10 dB |
因此有了"切勿混用 50 和 62.5"以及"切勿混用单模和多模"的规则（参见 连接器与光纤类型）。
弯曲损耗
| 弯曲类型 | 成因 | 影响 |
|---|---|---|
| 宏弯 | 半径小于约 30 mm（标准 SMF）、扎带过紧、门缝挤压 | 光从包层逸出；损耗随波长升高而急剧上升——链路在 1310 nm 正常但在 1550 nm 失效，1625 nm 测试能发现 1310 nm 测不出的弯曲 |
| 微弯 | 光缆应力、低温、挤压造成的微观轴线偏差 | 宽带损耗增加 |
| 耐弯曲光纤 G.657.A1/A2/B3 | 沟槽辅助折射率分布 | 允许半径 10–7.5–5 mm；用于室内、FTTH 入户线和高密度配线架 |
多模光纤对弯曲的容忍度更高，但会先损失高阶模式，从而改变其带宽。
光纤等级一览表
| 等级 | 纤芯 | 波长 | 带宽（850 nm 处 EMB） | 衰减 | 标准 |
|---|---|---|---|---|---|
| OM1 | 62.5 µm | 850 / 1300 | 200 MHz·km | 3.5 / 1.5 dB/km | ISO 11801，TIA-492AAAA |
| OM2 | 50 µm | 850 / 1300 | 500 | 3.5 / 1.5 | TIA-492AAAB |
| OM3 | 50 µm | 850（激光优化） | 2 000 | 3.0 / 1.5 | TIA-492AAAC |
| OM4 | 50 µm | 850 | 4 700 | 3.0 / 1.5 | TIA-492AAAD |
| OM5 | 50 µm | 850–953（宽带） | 4 700（850 处），2 470（953 处） | 3.0 / 1.5 | TIA-492AAAE |
| OS1 / OS1a | 9 µm | 1310 / 1550 | — | 1.0 / 1.0（室内紧包覆） | ISO 11801 |
| OS2 | 9 µm | 1310 / 1383 / 1550 | — | 0.4 / 0.4 / 0.4（松套管，低水峰） | ISO 11801；ITU-T G.652.D |
| G.657.A/B | 9 µm | 同 OS2 | — | 同 OS2 | 耐弯曲 |
| G.655 / G.654 | 9 µm | 1550 | — | 0.2 / 0.17 | 用于 DWDM 的 NZ-DSF；用于长途的超低损耗光纤 |
按 PMD 和等级划分的传输距离见传输距离表。
这对光模块意味着什么
- 模块的连接器类型和光纤类型必须与线路匹配：SR/SR4 用于 OM3/OM4，其余都用于 OS2。
- 激光器的入射条件（VCSEL 的环围通量）由标准定义，以保证多模带宽数据成立——不达标的模块传输距离会比表中数值更短。
- 在多模光纤上使用单模模块（配合模式调节跳线）曾是一种 1G 技巧（OM1 上的 1000BASE-LX）；这一方法不适用于 10G 以上。
在 CodingBox 中
模块会告诉主机它适用于哪种光纤：连接器代码、波长，以及 SMF、OM1、OM2、OM3 和 OM4 的长度字段——即上文的相同等级。CodingBox 会显示这些信息，让光纤匹配问题在模块离开工作台之前就已确定（参见 Check transceiver、 内存映射）。
这些原理所对应的标准化光纤——ITU-T G.652 至 G.657、OM1–OM5 多模等级、特种光纤、异种光纤之间的接续损耗，以及如何识别已安装的光纤：光纤类型。