昨天介紹了常見的光纖連接器類型，與之配套的再來介紹一下光纖的類型的。先分個類：多模光纖，單模光纖，特種光纖。講講分別都有哪些種類，瞭解一下對應的性能，最新趨勢怎樣，關鍵時候用得上。
1. 預備知識
先來回顧一下預備知識點：模式和光纖結構和導光原理，光纖指標。
模式分為橫模和縱模。橫模是指垂直於光傳輸方向橫截面上光場的分佈，簡言之就是橫截面上光強分佈，如基模，高階模。而縱模指的是激光器的激射模式，指的是諧振頻率或波長，如單縱模，多縱模。
光纖的結構本身僅包含折射率（摻雜濃度或成分不同）的包層和纖芯組成的。但為了加強其機械性能，一般還會在外面加上塗覆層和保護套，真正工程應用的時候還會做成光纜，多根光纖，並加強保護，便於施工和維護，如圖1所示。
圖1. 光纖和光纜的結構示意圖
光纖的導光原理，往簡單了說就是全反射，需要滿足兩個條件，一個是芯層折射率大於包層的，另一個是在反射面上的入射角大於臨界角，這一點對應到端面上的入射角應該小於某個臨界值，如圖2所示，不斷減小端面的入射角度，最終就可以完全把光限制在芯層中。（利用菲涅爾折射公式很容易計算臨界角）。當然，光纖的導光原理遠比這複雜，需要用到光纖光學，光波導理論，電磁場與電磁波等專業的知識，求解各種Maxwell方程組，精確地得到不同參數下光纖中的每個本徵解，也就是橫模了。然而這些知識，大多數人在日常生活工作中是用不上的。
圖2. 從全反射理論解釋光纖導光原理
通常來講，光纖的指標主要包括：
a) 結構參數，纖芯直徑（模塊直徑），芯層，包層折射率（或剖面上的分佈）
b) 性能參數：截止波長，色散係數，損耗係數，非線性係數
光纖包層直徑一般都是125um, 對於單模光纖纖芯直徑，一般8~10um，而多模通常是62.5um 或50um。截止波長指的是滿足單模工作的最小波長，光纖中的模式數量與纖芯直徑，芯包層相對摺射率差相關，一般芯徑越大，模式數越多，截止波長越大。相對摺射率差越大，光纖對光的束縛力越強，截止波長越大。光纖色散通常包含：色度色散，不同頻率成份傳輸速度不同引起的脈衝展寬。色度色散包括波導色散和材料色散，具體的波導色散，指全反射時臨界面上部分光先進入到包層後又返回芯層，這部分的光也會造成光脈衝展寬，而材料色散，指波導材料對不同頻率的光的折射率不同引起的傳輸速度的差異導致的脈衝展寬。模式色散，指不同模式之間傳輸路徑不同，導致的時延擴展，這個只在多模光纖中存在。另外，還有偏振模色散，光纖中不同偏振態上傳輸速度的差異（光纖非對稱性，工藝缺陷，應力等可造成），也會引起偏振模色散。
光纖的損耗則包括固有損耗和附加損耗。附加損耗很容易理解，就是在使用的時候由於彎曲，連接，拉伸等造成的額外損耗。固有損耗是光纖材料和結構決定的，如本徵吸收和瑞利散射。
下面具體講講常用的光纖有哪些類型吧。根據ITU-T的標準，通信光纖分為：G.651～ G.657共7個大類。其中G.651是多模光纖，G.652~G.657是單模光纖。
單模和多模的區別，除了纖芯直徑的區別外，光在光纖裡面傳輸的路徑形態也不同，如圖3所示。
圖3. 單模和多模光纖異同
2. 多模光纖
G. 651光纖：50/125 um的漸近折射率型多模光纖，工作波段850nm。這種光纖主要在早期光通信系統中用於中小容量、中短距傳輸，現已不多見。
除了ITU-T之外，ISO/IEC還定義了OM1~OM5這五大類多模光纖，如圖4所示，主要應用於局域網（LAN）和數據中心互聯（DCN）。
圖4. OM1~OM5光纖特性小結
OM1/OM2光纖：兩種早期的多模光纖，二者都支持850nm傳輸1G的速率，採用的光源通常是LED，主要應用場景是短距傳輸，如局域網（LAN）和私用網絡。其中OM1的纖芯直徑是62.5um,最大傳輸距離支持300m,而OM2的纖芯直徑是50um,最大傳輸距離擴展到600m。不過一般情況下人們還是用OM1傳100M，而用OM2傳輸1G的業務。
OM3/OM4光纖：升級優化後的多模光纖，芯徑均為50um,支持的傳輸速率高達10G，工作波長仍為850nm,不過配套的光源是垂直腔表面發射激光器（VCSEL）。通過多對光纖並行複用，採用OM3或OM4光纖可以支持40G，100G以太網傳輸，用於高速數據中心或公司及學校園區網絡。
OM5光纖：最新的多模光纖，支持850到953nm波長的超寬帶傳輸，也稱為WBMMF，其芯徑也是50um。它支持採用短波長複用（SWDM）技術在一根OM5光纖內來實現40G或100G傳輸速率。其中SWDM複用的四個波長分別是850nm、880nm、910nm和940nm。相比於之前的MPO接口的並行傳輸方案，OM5中複用多路波長傳輸在實現高速率的同時也極大地節省了光纖資源，特別是在 200G/400G以太網場景下。
衡量多模光纖的性能，有一個非常重要的指標，叫有效模式帶寬（EMB），如下表所示，不同類型多模光纖的EMB一般不同。
表1. 不同類型多模光纖的有效模式帶寬要求
不同類型的多模光纖搭配不同的光模塊，在40G和100G速率下支持的最大傳輸距離如下表所示。
表2. 不同光纖類型和收發器類型支持的傳輸距離
幾種多模光纖跳線一般用顏色來區分，如圖4所示。多模光纖應用廣泛還是得益於它配套的光耦合效率高、光收發器（包括光源）成本低，但傳輸速率和距離比較有限，因而主要還是在短距離應用。不過最近也在向消費子市場滲透，比如將有源光纜AOC用於分體式電視機主機與屏幕連接，多模光纖也開始走向家庭應用。但值得注意的是多模光纖本身的單價成本還是比單模光纖高的（因為芯徑大，耗費的拉絲材料也多一些）。
3. 單模光纖
單模光纖的標準主要是ITU-T的G.652~G.657，下面分別介紹之。
G.652：普通單模光纖，是目前應用最廣泛的光纖大類，大量應用於長途、骨幹和城域網中。其特點零色散波長位於1300附近，低損耗窗口是1300和 1550nm兩個窗口。1550nm處損耗最小，但色散較大，色散係數約為18ps/nm/km。根據宏彎損耗、衰減係數、PMD係數上的差異，G.652還可以細分為四個小類，具體參數如表3所示。其中G.652D的指標最嚴格，且向下兼容，結構上與普通的G.652光纖沒有區別，是目前最先進的城域網用非色散位移光纖。
表3. G.652光纖子類的指標對照表
G.653：色散位移光纖（DSF），由於普通單模光纖在低損耗窗口1550處傳輸信號時會受到色散的影響，為了解決色散問題，人為地將零色散點移到了1550處，如下圖所示。這種光纖，在1550處既有低損耗，又沒有色散，看似完美，然而後發現，WDM傳輸時，容易引起四波混頻（FWM）這一非線性效應，影響性能，不適合WDM傳輸應用，後來只能被淘汰。
圖5. G.653與G.652光纖色散對比
G.654：截止波長位移光纖，主要用於海纜通信系統，為適應海纜通信長距離、大容量的需求，G.654光纖主要做了兩個方面的改進。（1）降低光纖的損耗；從G.652的0.22dB/km降到了0.19dB/km（標準值）。（2）增大光纖的模場直徑減輕光纖的非線性效應，自然還帶來了另外的影響，那就是截止波長後移，從1260移到1530nm了。性能是改善了，但是光纖的波長窗口嚴重縮短了，也不能支持密集波分複用了。
G.655：非零色散位移光纖（NZ-DSF），這個是對G.653光纖的修正版本，既然零色散不行，那就把1550處的色散減小到0附近，但不為0，這樣就真的完美了，可以支持WDM了。這一個補丁，讓G.655光纖在2000年前後的20多年時間內，一直是長途幹線的首選。但是近年來，由於數字相干通信的快速發展，使得光纖色散的不再是通信系統的難點，G。655光纖估計很快又要被G.652光纖給取代了。
G.656：寬帶NZ-DSF，由於G.655光纖的可使用波長範圍為1530nm～1625nm（C+L波段），為了擴展使得S波段（1460~1530nm）也可用，在保證零色散波長不變的基礎上，減小了色散斜率。這種強行對G。655光纖的修正，估計也很難取得大規模商用的機會，因為S波波段的器件還不成熟。
G.657：彎曲不敏感光纖，其彎曲半徑可以比G.652小得多，如下圖所示。G.657又可分為A和B兩個子類，A主要是用於光接入網傳輸的，B用於光接入戶內的。
圖6. G.657和G.652光纖彎曲半徑對比
4. 特種光纖
保偏光纖（PMF）：顧名思義，就是偏振保持用的，但是不是所有的偏振態都可以保持呢？其實不是，只能保持沿光纖快軸和慢軸輸入的線偏光。常用於光器件尾纖、光纖陀螺和光纖傳感。
色散補償光纖（DCF）：負色散光纖，通常色散係數很大(-100ps/nm/km左右)，用來抵消普通單模光纖的正色散，從而實現補償的目的。
高非線性光纖（HNLF）：特殊設計的具有較高的非線性係數的光纖，主要是用於研究的目的，比如利用光纖非線性效應做各種loop mirror，參量放大，波長轉換、產生超連續譜，用於微波光子學信號處理等。
摻鉺光纖（EDF）：有源摻雜的光纖，利用在Pump光作用下，稀土離子能級躍遷，產生受激輻射，對輸入光進行放大，可常用於光放大器如EDFA，或光纖激光器。
多芯光纖（MCF）：多個纖芯共用一個包層，具有多個獨立的並行通道，每個芯都是單模，一般芯間串擾比較小。目前已經報道的最多有19芯單模光纖，其外徑略大於普通單模光纖，每個芯的性能指標接近普通單模光纖水平，如下圖所示。可用於光纖傳感及下一代大容量空分複用光纖通信技術研究。
圖7. 19芯單模光纖截面圖
少模光纖（FMF）：與多模光纖類型，稍微增大單模光纖的芯徑，使得光纖中僅有少數幾個模式傳輸，以便於控制模式間的串擾和時延。目前報導的少模光纖支持的模式數量已經高達6個，如圖
多芯少模光纖（MC-FMF）：結合多芯光纖和少模光纖的特點，每個芯都是少模光纖，目前已報道的空間信道數已經多達100多個，如19芯6模光纖，和36芯3模光纖。
圖8 兩種多芯少模光纖端面
基於多芯少模光纖的超大容量光通信技術已經被廣泛關注，國際上實現的最大容量已經高達10Pb/s。部分研究情況如下表。
表4. 部分基於多芯光纖光纖的光傳輸報道
光子晶體光纖/空芯光纖（PCF）：如圖9所示，PCF有很多週期性排列的光子晶體和空氣孔，與傳統的光纖導光原理不同，PCF利用光子晶體帶隙效應把光子限制在低折射率的空氣中。PCF有很多奇特的特性，被用於很多科研領域，如傳感，最近也被用於光纖通信，因為其潛在的工作波長範圍，而且在空氣中導光，傳輸速度快，適用於低時延傳輸。不過目前，PCF的損耗還比較大，大於1dB/km。
圖9. 光子晶體光纖截面圖
5. 通信用光纖趨勢
首先從歷史上來看，光纖經歷了62.5um的多模，然後到50um多模，再到單模，纖芯直徑逐漸減小，以獲得更好的傳輸容量。而從目前學術界對空分複用（SDM）技術的研究興趣來看，未來想要進一步發展到多芯少模光纖已經成為不可阻擋的趨勢。而且隨著可複用模式數目的增加，似乎纖芯直徑又有增大的趨勢。也許技術就是這樣反反覆覆，就像相干探測最早在上世紀八九十年代就發現了，但直到2006年左右才又被重新重視起來。而且空分複用在光纖中應用，應該可以追溯到1982年，那時候人家就已經研究了多個模式群的複用，其實非常類似於現在的少模複用，只是那時候DSP不發達，消除不了模間干擾。而多芯光纖的概念也早在1998年就被用於圖像傳輸了。所以做研究也無所謂新不新了，把技術在合適的時間點用到合適的地方解決了實際的問題，或者有望解決未來的問題，都是很好的研究。找到風口了，無論是舊瓶裝新酒還是換湯不換藥都是制勝的法寶。
圖10. 光纖纖芯尺寸演進
關於多芯少模光纖（空分複用技術）走向實用的問題，我覺得未來還是有可能可以找落地點的，至少在短距離的數據中心互連中取代並行單模（PSM）這種技術還是很有優勢的，結合大規模光電集成，不僅可以降低功耗，還可以大幅提升端口密度，數十倍地提升容量。空心光纖的超寬帶，如果有配套的激光器支持如此寬的頻譜範圍，在超大容量短距互連中終將也能找到用武之地了。
針對長距傳輸，有著超低損耗，大有效面積的G.654E光纖將會是未來超高速通信系統的主要傳輸媒介。國內長飛早在16年就與中國聯通一起研究了超低損的新型光纖在WDM系統中應用情況，目前已經具備研發和生產能力。三大運營商也紛紛針對G.654E光纖進行集採測試和招標，預計最近會陸續開通試商用。
關於新型光纖的設計和製造，國內公司在技術佈局和產品開發上也算是走在世界前列的。比如早在15年長飛公司就與華科合作設計並製造了低串擾和損耗的7芯光纖和配套的扇入扇出器件，支撐了我博士階段所水文章的半壁江山，半年後還能提供4模光纖樣品，據說空分複用相關的產品還遠銷國內和北歐。烽火藤倉也能設計和製造7芯光纖，2~4模的少模光纖，甚至去年還成功拉制了19芯光纖。如果業內還有公司在空分複用光纖成纜，光纖熔接，彎曲損耗優化，空分複用器/解複用器，空分複用光放大器，集成光收發芯片等方面投入科研並形成產業合力，我們一定會在未來的超高速光通信時代牢牢佔據先機。同時如果克服技術難點，把有源摻雜光纖如鉺纖，鐿纖，鉺鏡共摻光纖達到量產水平，同時保證高性能，那時候關鍵技術，國之重器，自然也就立於自身了。
[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/52058026
[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
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