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阶跃型多模光纤与渐变型多模光纤有何区别?

2021年11月29日 8783

多模光纤是一种常见的光纤类型,被广泛使用在短距离应用中。根据光纤折射率分布方式的不同,多模光纤可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤两种类型。接下来,本文将全面介绍阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的工作原理以及它们的区别。

什么是阶跃型多模光纤?

阶跃型多模光纤指的是具有阶跃型折射率分布的光纤,其折射率是均匀分布的。由于光纤包层折射率较低(即纤芯折射率大于包层折射率,发生全反射),因此纤芯与包层的边界折射率急剧降低(光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的),从而形成了一个台阶,即为阶跃型多模光纤(也被称为突变光纤)。

什么是渐变型多模光纤?

为了解决阶跃型多模光纤存在的传输问题,人们设计研发出了渐变型多模光纤。渐变型多模光纤的折射率是按照一定规律连续变化且不均匀的。渐变型光纤的折射率在光纤轴心处最大,在靠近包层边界处最小,也就是说,渐变型光纤的折射率随着纤芯半径的增大而逐渐减小。在渐变型光纤中,折射率的变化会引起折射,但不并会发生全反射,当光传输到包层边界处(折射率最小)时,光纤将折射回到光纤轴心上。

阶跃型多模光纤与渐变型多模光纤有何区别?

通过上文简单介绍可知,阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的折射率分布方式不同,阶跃型多模光纤的折射率是均匀分布的,而渐变型多模光纤的折射率是有规律地连续变化且不均匀分布。除此之外,它们之间还存在什么区别呢?详见下文。

光传输形式

根据全反射原理,在阶跃型多模光纤中,光线在纤芯和包层之间不断发生全反射,将光波限制在纤芯中向前传播,然而由于纤芯和包层的边界折射率急剧降低,因此光沿着光纤轴心以“之”字进行传播。如图所示:

在渐变型多模光纤中,根据折射原理,光线最迟在芯包界面发生全反射,将光波限制在纤芯中向前传播。由于渐变型多模光纤折射率在纤芯中按一定规律连续变化且不均匀,因此光线的传播轨迹不再是一条直线,而是一条近似于正弦型的曲线,即光以“正弦波”的形式向前传播。如图所示:

带宽和模间色散

由于阶跃型多模光纤可以传输多种模式的光,不同模式光(传输路径各不相同)到达光纤终端的时间不同,从而产生时延差,造成了光脉冲严重展宽,因此阶跃型多模光纤的模间色散通常较高。同时,阶跃型多模光纤传输的模式越多,光脉冲在光纤传输时展宽越严重,导致信号失真,也就大大限制了阶跃型多模光纤的带宽。

渐变型多模光纤又称自聚焦光纤, 其折射率在光纤轴心处最大且随着纤芯半径的增大而逐渐减小,使得光按正弦形式传播,从而形成自聚焦效应(不同入射角的光线会聚集在同一点上,且这些光线的时间延迟也近似相等,弥补了时延差),因此降低了模间色散,提高了阶跃型多模光纤的带宽。

推荐阅读:《光纤色散是什么?如何色散补偿?》

传输距离和成本

由上文可知,阶跃型多模光纤模间色散大、带宽低,不仅影响了传输速率,还限制了传输距离。正因如此,阶跃型多模光纤通常以相对较低的成本用于短距离(几公里内)和低速率(8Mb/s以下)的通信系统。与阶跃型多模光纤相比,渐变型多模光纤色散小、带宽高,延长了传输距离,因此通常适用于中距离(10~20㎞)和传输速率相对较高(34~140Mb/s)的通信系统,但成本相对较高。现如今,市面上多模光纤大多为渐变型。

特性
阶跃型多模光纤
渐变型多模光纤
带宽
较低带宽
更高带宽
纤芯直径
50~200μm
约50μm
应用场景
通常适用于短距离(几公里内)和低速率(8Mb/s以下)的通信系统
通常适用于中距离(10~20㎞)和传输速率相对较高(34~140Mb/s)的通信系统
数据传输形式
光线沿着光纤轴心呈“之”字形传播
光线以正弦振荡形式向前传播
模间色散
影响光纤的传输能力并限制中继距离
相对于阶跃多模光纤而言,色散大大降低
性能
比较差
比较好
成本
较低
偏高

结语

通过上文对阶跃型多模光纤与渐变型多模光纤的对比介绍,相信您已经清楚地了解这两种多模光纤之间的区别了。通常,阶跃型多模光纤适用于短距离和低速率应用,而渐变型多模光纤则适用于中长距离和较高速率应用。多模光纤除了可以按照光纤折射率的分布方式进行区分外,还可以根据光纤类型分为OM1/OM2/OM3/OM4/OM5多模光纤,有兴趣了解可阅读《OM1、OM2、OM3、OM4和OM5多模光纤有什么区别?》这篇文章。

推荐阅读:《了解不同光纤的ITU-T标准》

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