多模渐变折射率光纤：为什么需要知道它

渐变折射率光纤，为G.651.1国际电信联盟（ITU）标准下，是一种多模光纤，其折射率降低逐渐作为径向距离（距离芯中心）增加。相比之下，我们通常看到的是G.652.D光纤，它具有阶跃折射率分布。本文将对渐变折射率多模光纤与传统阶跃折射率光纤进行比较，以及其在处理模态色散（一种常见的信号失真误差）时的优势。

下图显示了光纤纤芯和包层的不同折射率分布。

光纤折射图

图1.左：纤芯和包层的阶跃折射率。右：纤芯和包层的梯度指数

纤芯的折射率高于包层的折射率，以实现全内反射，从而将光捕获在纤芯内部。对于阶跃折射率纤芯，光仅在纤芯-覆层界面反射，如下所示：

折射率光纤

图2.光在阶跃光纤纤芯中传播

但是，当折射率在渐变折射率纤芯中逐渐下降时，光线也会略微弯曲并遵循弯曲路径，如下所示：

图3.光线在渐变折射率核心中传播

弯曲光路的优点将在本文后面详细讨论，但是在渐变折射率纤芯中，较长路径的光线基本上比较短路径的光线传播更快。这是因为光纤内部的光速与折射率成反比。

为了解释渐变折射率光纤的优点，让我们首先讨论模态色散，因为它在传统的阶跃折射率多模光纤中很常见。

在多模应用中会引起模态色散，在这些应用中，即使不同的光模式同时进入光纤，它们也会异步离开光纤。同样，这是因为所有光模的速度都相同，因为纤芯内部的折射率是均匀的。下图显示了模式A和模式B同时进入光纤：

多模光纤

图4.模式A和模式B同时进入光纤纤芯但入射角不同

显然，模式B的路径比模式A的路径短，因此，由于两个灯具有相同的速度，因此B会比模式A提前到达。假设信号是进入光纤的理想脉冲，则在传播了p km之后，该脉冲将在时间上扩展：

光纤脉冲

图5.退出光纤时，模式B领先于A，因为它传播的距离较短。

但是，当以固定的时间间隔将一个以上的脉冲发送到光纤中时，由于模式B的第二个脉冲（蓝色）可能比模式A的第一个脉冲（黑色）早到达，因此所得信号变得难以区分：

模态色散

图6.两个脉冲间隔一段时间发送到内核退出时，两个信号重叠。

这种现象称为模态色散。模态色散将信号的带宽限制为数十MHz.km，这意味着当光纤的长度为1 km时，信号带宽不得超过几十MHz。

渐变折射率纤维可以显着降低模态色散。同样，两种模式进入光纤的模式A具有较大的入射角：

光纤路径

图7.模式A和模式B同时进入光纤纤芯，其中A入射角较大。

模式A的路径比模式B的路径更长，但到达的时间几乎与模式B的时间相同。正如我之前所解释的，尽管B传播的时间更长，但由于芯包层界面附近的折射率较低，因此它的传播速度也比A快。与传统的多模光纤相比，渐变折射率多模可以接受更高的带宽而不会造成信号混淆。

渐变折射率多模光纤如今已被广泛制造和使用，并且正在迅速替代阶跃折射率光纤。一些大型的光纤制造商已经创建渐变折射率等品牌，如我们嘉富光通信。实际上，阶跃折射率多模光纤不如渐变折射率光纤那么普遍，大多数制造商对多模光纤的默认选择是渐变折射率。