光的“并驾齐驱”与“一支独秀”

八、光的“并驾齐驱”与“一支独秀”

最初生产的光纤，一般都比较“粗大”。纤芯直径有50微米。这样，一根光纤里面就可以同时传输若干个路径（称为模式）的光信号。

很快出现了一个严重问题，就是在光的传输中，不同模式的光信号由于所走过的“道路”距离不同，入射角越小，传播的路径越长；而在纤芯中的传输速度又是一样的，所以它们到达接收端的时间不同。这就使得不同模式的光信号之间出现了时间上的差距（简称时延差）。这种现象被称为模间色散，它也会对远距离和高速信号的传输造成不良影响。

怎么解决呢？

有一个思路，就是让不同模式的光走相同的距离，这样它们就可以同时到达了。但在小小的光纤内，既然所走的道路角度不同，那如何保证距离相同呢？或者反过来说，既然不同模式的光走的距离不同，我们可不可以改变它们传播的速度，使得距离远的光，速度加快些；距离近的光，速度放慢些，这样不就可以使得它们同时到达接收端了么？

基于这种思路，再联系到光在透明介质中传输的速度是由这种介质的折射率决定的，折射率越大，速度越低。于是人们又研制出了另一种光纤，它的纤芯的折射率分布不是均匀的，而是渐变的。在靠近中心的部分，纤芯折射率较大（因此光在里面传输速率也较慢）；而在靠近包层的位置，纤芯折射率较小（因此光在里面传输速率也较快）。

这样，不同模式的光在这种光纤中依旧沿着不同的路径传输，只不过不是直来直去的“折线”前进，而是弯弯曲曲地“蛇行”前进。入射角较大的光，经过的光路较短，但位置靠近纤芯的中心轴，折射率较大，所以速度也较慢；而入射角较小的光，经过的光路较长，位置却远离纤芯的中心轴，折射率较小，速度也较快。这样，选择适当的纤芯折射率分布，就可以尽可能减小因为各种模式的光传输路线长度不同而造成的模间色散。

为了区别上述两种光纤，我们把纤芯折射率均匀不变的称为阶跃型多模光纤，因为它的折射率从纤芯到包层是突然变化（阶跃）的。而后一种纤芯折射率从纤芯中心轴到包层是渐渐变化的，称为渐变型多模光纤。

用渐变型多模光纤，尽管可以在相当程度上解决模间色散的问题，但毕竟同一根光纤内不同模式的光信号之间的协调，很难做到完全一致。而且渐变型多模光纤制作成本也较大。想像一下，一条路上几匹马并驾齐驱，还有的左弯有的右拐，再高明的骑手也犯难。尤其随着高速光纤通信的发展，这个问题越加突出。

人们提出了新的办法：一根光纤只传输一个模式的光信号，就不用费那么多劲去解决模间色散的问题了。

因此，又出现了单模光纤。它的特点是：纤芯较细（直径不到10微米）。纤芯内只能传输一个模式的光信号，因此也无减小模间色散的问题了。好比道路上一匹马“一支独秀”，自然任凭驰骋了。由于不必担心模间的相互干扰，单模光纤的传输带宽（也就是单位距离上的信息传输速度）比渐变型多模光纤高出数十倍乃至数百倍，有力地支持了现代光纤通信的发展，并很快成为光纤通信的主流。