單模光纖與多模光纖有何分別?

單模光纖(Single-mode)芯徑僅約 9µm,光以單一模式傳播,適合長距離幹線;多模光纖(Multi-mode)芯徑為 50µm 或 62.5µm,多個光模式同時傳播,適合樓內短距離高速連接。本頁講解兩者在芯徑、等級(OS2 與 OM3/OM4)、傳輸距離、光源與成本上的分別,以及香港商廈與屋苑幹線工程的實際選型建議。

芯徑與傳播模式:分別的根源

光纖由纖芯(core)、包層(cladding)與保護層組成,光靠纖芯與包層之間的全內反射被限制在纖芯內傳播。根據維基百科(Wikipedia)對單模光纖的說明,典型單模光纖的芯徑介乎 8 至 10.5 µm、包層直徑 125 µm;纖芯細至只容許單一光模式傳播,因此不存在模態色散問題,訊號可以傳送非常長的距離。國際標準方面,ITU-T G.652《單模光纖及光纜特性》(Characteristics of a single-mode optical fibre and cable)是應用最廣泛的單模光纖建議書,現行版本為 G.652 (08/24)。

多模光纖的芯徑則大得多:常見規格為 50/125 µm 與 62.5/125 µm,即芯徑 50 µm 或 62.5 µm、包層同為 125 µm。較大的纖芯容許多個光模式同時傳播,不同模式行走的路徑長短不一,到達接收端的時間出現差異,形成模態色散(modal dispersion),這正是多模光纖傳輸距離受限的根本原因。維基百科指出,多模光纖主要用於樓宇內或園區內的短距離通訊,配合 OM3、OM4 等級可在典型 300 至 550 米範圍內支持高速鏈路。

簡單而言:芯徑決定模式數目,模式數目決定色散特性,色散特性決定距離上限。這一條因果鏈,就是單模與多模所有分別的根源。

單模與多模光纖對比

項目單模光纖(SMF)多模光纖(MMF)
芯徑/包層約 9/125 µm50/125 µm 或 62.5/125 µm
常見等級OS1、OS2(OS2 衰減上限 0.4 dB/km)OM1、OM2、OM3、OM4、OM5
主要標準ITU-T G.652、G.657ITU-T G.651.1、ISO/IEC OM 等級
工作波長1310 nm、1550 nm850 nm、1300 nm
光源長波長鐳射(laser diode)LED 或 VCSEL,成本較低
典型距離數公里至數十公里以上高速鏈路典型 300 至 550 米(OM3/OM4)
模組成本較高較低
典型應用商廈垂直幹線、跨座數連接、電訊網絡機房內互連、同層設備連接、園區短鏈路

補充一點:外皮顏色只是慣例(單模常見黃色,OM3/OM4 常見水藍或紫紅色),選型與驗收應以線纜印字標示的等級為準,不可單憑顏色判斷。

選型考慮四大要點

① 距離是硬指標

鏈路長度超出多模等級的支持範圍便沒有選擇餘地,必須用單模。香港商廈垂直幹線連同機房繞線常超過 100 米,高速率下已接近甚至超出多模極限。

② 速率與升級路線

單模由 1G 到 100G 以上都無需換線;多模在更高速率下距離大幅縮短。幹線一次過鋪單模,日後升級只需更換兩端光模組。

③ 成本結構

多模系統的 VCSEL 光模組較便宜、端接容差較大,短距離整體造價低;單模模組較貴但近年價差已收窄,幹線工程差距不大。

④ 兩者不可混駁

單模與多模芯徑相差數倍,不能直接熔接或跳線互駁,光模組亦不能混用。全盤規劃好各段鏈路類型,比事後補救划算得多。

香港商廈與屋苑幹線選型實務

  1. 量度實際鏈路長度——由機房光纖配線架起計,經垂直井道到各樓層配線間,連同兩端繞線與跳線一併計算,切勿只計樓層高度差。
  2. 確定目標速率與年期——按 10 至 15 年使用期估算頻寬需求;商廈與屋苑幹線建議直接以 10G 或以上作設計基準。
  3. 幹線選 OS2 單模——垂直幹線與跨座連接一律採用 OS2 單模光纜,芯數預留倍數餘量(例如需求 8 芯鋪 24 芯),拉線成本佔比低,補鋪成本極高。
  4. 機房與同層短鏈路可用 OM4——機櫃之間、交換機與伺服器互連等數十米內的高速鏈路,OM4 配 850 nm 模組成本較低、端接容易。
  5. 完工測試與標籤——以光源光功率計或 OTDR 測試每芯損耗並存檔,配線架與光纜兩端清晰標示單模或多模及去向,方便日後維護。

屋苑監控工程亦是同一原則:由管理處機房到各座地下配線間的幹線用單模,配合媒體轉換器或交換機光口接駁各座的攝影機網絡,距離與擴容都不再是樽頸。

權威資料依據

本文核對資料:ITU-T G.652ITU-T G.651.1

常見問題

單模光纖與多模光纖最核心的分別是什麼?
核心分別在於芯徑與光傳播模式。單模光纖芯徑約 8 至 10.5 µm,光以單一模式沿纖芯傳播,不受模態色散限制,適合長距離傳輸;多模光纖芯徑為 50 µm 或 62.5 µm,多個光模式同時傳播,模態色散令傳輸距離受限,主要用於樓宇內或園區內的短距離連接。兩者的收發模組、光源與成本結構亦不相同。
OS2、OM3、OM4 等級代表什麼?
OS 是單模光纖等級:OS1 與 OS2 均為 9/125 µm 單模光纖,工作波長 1310 nm 與 1550 nm,OS1 最大衰減 1 dB/km,OS2 最大衰減 0.4 dB/km,OS2 是現時室外及長距離幹線的主流。OM 是多模光纖等級:OM3 與 OM4 均為鐳射優化的 50/125 µm 光纖,配合 850 nm VCSEL 光源,OM4 的頻寬距離性能高於 OM3,可支持更長的高速鏈路。
為何多模光纖系統整體成本較低?
雖然多模光纖線材本身未必便宜,但多模系統可使用 LED 或 VCSEL(垂直腔面發射鐳射)等低成本光源,收發模組價格明顯低於單模系統使用的長波長鐳射模組,而且較大的芯徑令對準與端接容差較大,安裝與測試較容易。在數十至數百米的樓內距離,多模方案的整體造價通常較低;但距離一長,多模無法勝任,便必須使用單模。
香港商廈幹線應選單模還是多模?
一般建議新建幹線以單模(OS2)為主。香港商廈垂直幹線動輒過百米,加上單模不受模態色散限制、日後升級 10G、40G 以至 100G 都無需重新拉線,長遠擴展性遠勝多模。多模(OM3/OM4)適合機房內部設備互連或同層短距離高速鏈路,配合 850 nm 收發模組成本較低。實務上不少工程會幹線用單模、機房跳線用多模,各取所長。
單模與多模光纖可以互相連接嗎?
不可以直接熔接或跳線互駁。兩者芯徑相差數倍,由多模駁入單模會產生嚴重損耗,訊號無法正常傳輸;收發模組亦是按單模或多模分別設計,不能混用。如果網絡中同時存在兩種光纖,需要經過光電轉換設備(例如媒體轉換器或交換機上不同類型的光模組)作中轉。因此規劃階段便應統一好各段鏈路的光纖類型,避免日後駁接困難。

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