光的傳播：反射、模式與數值孔徑

光纖是一種波導：玻璃纖芯外包覆折射率略低的玻璃，因此以小角度到達邊界的光會被反射回去而不是逸出。由這一個事實引出了單模與多模光纖的區別、決定光源有多少光能耦合進入的接收角、緊彎曲為何會漏光，以及規格書中提到的 OM1–OM5 和 OS2 等級。本頁對這部分物理原理的講解深度以鏈路設計的實際需要為準。

光纖的結構

層	直徑	材料	作用
纖芯	9 µm（單模），50 或 62.5 µm（多模）	摻鍺石英（折射率更高）	傳導光
包層	125 µm	純石英或摻氟石英（折射率更低）	通過全反射約束光
塗覆層	250 µm（或 200 µm）	丙烯酸酯	機械保護；在光纜中按顏色編碼
束管/護套	900 µm 緊包覆，或鬆套管	塑料	便於操作；不屬於光學部分

纖芯與包層之間的折射率差極小——約 0.3–0.5 %——但已經足夠，因為光幾乎平行於軸線傳播。

全反射與數值孔徑

光從密度更大的介質進入密度更小的介質時會偏離法線；超過臨界角後會發生全反射。在光纖中，這意味著軸線周圍錐形範圍內的光線會被約束住。該錐形在空氣中的半角由數值孔徑決定：

光纖	NA	接收半角	含義
單模 G.652	≈ 0.12–0.14	≈ 7–8°	只有窄而對準良好的光束才能耦合進入——僅限激光光源
多模 50 µm（OM2–OM5）	0.20	≈ 11.5°	接收範圍寬——VCSEL 和 LED 都容易耦合
多模 62.5 µm（OM1）	0.275	≈ 16°	最寬；老式規格

NA 越大，耦合越容易，但模式數越多，模式色散也越大。

模式

模式是能沿波導傳播的穩定場分佈。模式數量取決於纖芯尺寸、NA 和波長（用 V 數表示）：

光纖	850 nm 處模式數	1310 nm 處模式數	後果
9 µm 單模	—（會是少模）	1	無模式色散；傳輸距離由衰減和色度色散決定
50 µm 多模	數百	約 100	模式色散限制頻寬 × 距離積（參見色散與頻寬）
62.5 µm 多模	約 1 000	—	模式色散最嚴重

單模光纖只有高於截止波長時才是單模的（G.652 約為 1 260 nm）：在 850 nm 處它會攜帶多個模式，這就是為甚麼 850 nm 的 SR 模組用在單模光纖上不能正常工作，也是為甚麼「單模配 1310/1550」才是正確搭配（參見物理失配）。

階躍折射率與漸變折射率

類型	折射率形狀	應用於	效果
階躍折射率	纖芯折射率恆定，到包層處驟降	單模光纖	對單一模式而言沒有意義
漸變折射率	拋物線形：軸心處最高，向包層逐漸降低	所有電信多模光纖（OM1–OM5）	外側光線走得更遠但更快（折射率更低），因此各模式幾乎同時到達——模式色散比階躍折射率降低 100 倍

漸變折射率分佈的精度正是區分 OM3（2 000 MHz·km）與 OM4（4 700 MHz·km）的關鍵：相同的幾何結構，更精確的折射率曲線。

模場直徑與耦合損耗

在單模光纖中，光並不局限於 9 µm 的纖芯之內；其模場直徑（MFD）在 1310 nm 處約為 9.2 µm，在 1550 nm 處約為 10.4 µm。兩根 MFD 不同的光纖相接，或連接器存在橫向偏移，都會造成光損耗：

失配情況	損耗
1 µm 橫向偏移（SMF）	≈ 0.2 dB
2 µm 橫向偏移	≈ 0.8 dB
MFD 9.2 對比 10.4 µm（G.652 對 G.657.B 或 DSF）	≈ 0.1–0.3 dB
50 µm 纖芯接入 62.5 µm 纖芯	≈ 0 dB（損耗發生在反方向）
62.5 µm 纖芯接入 50 µm 纖芯	2–4 dB
SMF 接入 MMF	接續點 ≈ 0 dB，但會激發多個模式→模式噪聲
MMF 接入 SMF	> 10 dB

因此有了「切勿混用 50 和 62.5」以及「切勿混用單模和多模」的規則（參見連接器與光纖類型）。

彎曲損耗

彎曲類型	成因	影響
宏彎	半徑小於約 30 mm（標準 SMF）、紮帶過緊、門縫擠壓	光從包層逸出；損耗隨波長升高而急劇上升——鏈路在 1310 nm 正常但在 1550 nm 失效，1625 nm 測試能發現 1310 nm 測不出的彎曲
微彎	光纜應力、低溫、擠壓造成的微觀軸線偏差	寬帶損耗增加
耐彎曲光纖 G.657.A1/A2/B3	溝槽輔助折射率分佈	允許半徑 10–7.5–5 mm；用於室內、FTTH 入戶線和高密度配線架

多模光纖對彎曲的容忍度更高，但會先損失高階模式，從而改變其頻寬。

光纖等級一覽表

等級	纖芯	波長	頻寬（850 nm 處 EMB）	衰減	標準
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（激光優化）	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（寬帶）	4 700（850 處），2 470（953 處）	3.0 / 1.5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1.0 / 1.0（室內緊包覆）	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0.4 / 0.4 / 0.4（鬆套管，低水峰）	ISO 11801；ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	同 OS2	—	同 OS2	耐彎曲
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0.2 / 0.17	用於 DWDM 的 NZ-DSF；用於長途的超低損耗光纖

按 PMD 和等級劃分的傳輸距離見傳輸距離表。

這對光模組意味著甚麼

模組的連接器類型和光纖類型必須與線路匹配：SR/SR4 用於 OM3/OM4，其餘都用於 OS2。
激光器的入射條件（VCSEL 的環圍通量）由標準定義，以保證多模頻寬數據成立——不達標的模組傳輸距離會比表中數值更短。
在多模光纖上使用單模模組（配合模式調節跳線）曾是一種 1G 技巧（OM1 上的 1000BASE-LX）；這一方法不適用於 10G 以上。

在 CodingBox 中

模組會告訴主機它適用於哪種光纖：連接器代碼、波長，以及 SMF、OM1、OM2、OM3 和 OM4 的長度欄位——即上文的相同等級。CodingBox 會顯示這些資訊，讓光纖匹配問題在模組離開工作台之前就已確定（參見 Check transceiver、記憶體映射）。

這些原理所對應的標準化光纖——ITU-T G.652 至 G.657、OM1–OM5 多模等級、特種光纖、異種光纖之間的接續損耗，以及如何識別已安裝的光纖：光纖類型。

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