多模光纖是指在工作波長上具有多個導模的光纖——有時只有幾個（即少模光纖），但通常很多。光纖芯通常很大，并不比整個光纖小多少（見圖1）。同時，數值孔徑通常比較大，例如0．3。這種組合導致一個很大的V數，而V數又導致大量的模態。對于V較大的步進折射率光纖，計算兩個偏振方向時，可以用下式估計：

圖1： 單模光纖（左）與包層相比有一個很小的纖芯，而多模光纖（右）有一個很大的纖芯。

導模數較少的光纖，例如V數在3到10之間，有時稱為少模光纖。
如果需要傳輸空間相干性差的光，則需要多模光纖。例如，這是典型的高功率激光二極管的輸出情況，如二極管棒。雖然只有很小一部分輸出功率可以發射到單模光纖中，但是對于具有足夠大的纖芯和／或高NA的多模光纖來說，非常有效的發射是可能的。另一個例子是在光纖鏈路中使用發光二極管（led）代替激光二極管作為廉價信號源。其他應用程序存在成像，例如：圖像信息的傳輸需要具有多種空間模式的設備。

多模光纖規格

多模光纖的基本規格包括多模光纖的芯徑和外徑。普通電信光纖（用于中等距離光纖通信的光纖）為50／125μm和62．5／125μm光纖，芯徑分別為50μm和62．5μm，包層直徑為125μm。這種光纖支持數百種引導模式。大芯纖維甚至更大的芯直徑數百微米也可用。

將光發射到多模光纖中

與單模光纖相比，多模光纖更容易發射光，特別是當它支持多種導模時。為了有效的發射，必須滿足兩個條件：

? 輸入的光應只擊中核，而不是包層。
? 輸入光不應包含以大于arcsin NA的角度傳播的明顯大量功率。
如果輸入光的M2 因子足夠小，就有可能同時滿足這兩個條件。超高斯光束有效發射的最大M2因子可由以下公式估計：

這實際上是來自光纖的近似光束質量因子，如果光功率很好地分布在所有模式上。（只有當光纖有許多導模時，這個估計才是準確的。）當然，有效的發射不僅需要足夠低的M2因子，而且需要在真實空間和傅里葉空間中具有合適的強度剖面形狀。

例如，考慮一個直徑為25μm的纖芯，數值孔徑為0．2的光纖。圖2顯示了1000nm處的單色輸入光束的強度分布圖，通過數值構造使其剛好填滿光纖的纖芯，并且其角度分布達到了光纖數值孔徑所設定的極限。光束的輪廓基本上是由一個相位完全隨機的超高斯強度輪廓（導致巨大的散度）開始，然后在傅里葉域用另一個超高斯函數濾波，再在空間域使用超高斯濾波器。

角分布導致了復雜的光強變化。對于同樣光束質量的非單色光束來說，可能會有更平滑的強度分布：盡管每個波長成分都有一個復雜的分布，但這些波動可以平均到一個平滑的整體分布。（特別是對于非單色光束，平滑的強度剖面并不表示光束質量高。）

圖 2：對于有效地發射到光纖中，具有最大可能M2值的多模光束的強度分布。

所構建的光束轉變為M2值為12的光束，這個值并沒有遠低于根據上面的公式計算出的結果15．7。圖3顯示了它如何在光纖中傳播。光束的輪廓在光纖中經歷強烈的變化，但幾乎所有的光都保持在導向狀態。

圖3：纖維中強度分布的演變。在最初的幾毫米內，只有很少的光會被覆蓋層吸收。

如果初始光束尺寸或角范圍進一步擴大，類似的模擬就會存在重大發射損失。此外，如果波束分布是近似高斯而不是超高斯，有效的發射需要更低的M2值（低于10）。

如果將光發射到特定的高階模態，那么光的M2值會比上面的公式大2倍。

輸出光束剖面

多模光纖的輸出光束剖面取決于發射條件。此外，它還敏感地取決于整個光纖的條件（如彎曲、溫度等）。這是因為這些效應會影響所有模態的β 值，從而影響干涉條件。對于一段很長的光纖里，即使是β 值細微的改變都能產生顯著的效果。
多模光纖有時用于光束均勻化，即用于獲得更平滑的強度剖面。不過，這種方法只適用于多色光，即不同頻率分量的剖面平均下來。

多模光纖中的單模傳輸

如果將光完全發射到多模光纖的基模，光束剖面在傳輸過程中基本上應該保持不變。這樣就可以獲得高光束質量的輸出，類似于單模光纖的輸出。但是，各種干擾可能會導致模耦合：一些光可能會耦合成高階模，從而影響光束質量。
幸運的是，這種耦合效應通常不那么強烈。例如，考慮一種芯徑為20μm、NA為0．1的階躍折射率光纖。這是一種少模光纖，支持6種引導模式（當計算所有模式方向時）。我們取一條10μm長的光纖，并引入一個相對尖銳的彎曲，其中反向彎曲半徑平滑地上升到中間的1 ／（10μm），然后再次回到零。這種彎曲導致了光纖中部模態剖面的實質性位移和變形：

圖4：在彎曲光纖中間的光束剖面從核心的中心顯著地偏移。

但是在光纖末端的彎曲處，原始的光束剖面幾乎沒有變化；在LP01模式下，幾乎所有的功率都保持不變：

圖 5：僅中部彎曲的光纖中束形的演化。（空間坐標不反映彎曲，彎曲模擬為指數輪廓線的線性增加；人們只能看到由于彎曲而引起的模態輪廓的改變。）光束的剖面很好地回到光纖末端的原始位置。

人們可能想知道，為什么盡管存在強彎曲效應，但基本上沒有光耦合成高階模。因此，我們需要考慮 LP01 和LP11模式的相位常數差異，如高達4．5 rad／mm。這種相位失配有效地抑制了耦合：在光纖的不同部分，基模對某些高階模耦合的振幅貢獻會大體上相互抵消。

對于大模態面積的光纖，不同模態的β 值接近。因此，兩種模式的拍頻長度要長得多，即使是在相對緩慢變化的干擾也能有效地耦合模式下。因此，在大模區少模光纖中，保持單模傳輸變得更加困難。

梯度折射率光纖

對于電信應用，有時需要最小化多模態色散，即群速度范圍的寬度。這將減少電信信號的時間擴展和失真，從而允許更高的數據速率。

階躍折射率光纖在這方面不太好。研究發現，具有近似拋物線折射率剖面的梯度折射率光纖更適合這種應用。圖6顯示了這樣一個剖面指數。

圖 6： 漸變折射率光纖的折射率分布圖，在芯區呈拋物線狀。導模的有效折射率（如灰色線所示）是等間隔的。

在一個直觀的圖像中，人們可以認為在光纖軸上振蕩的光線比直接穿過的光線有更長的路徑長度，但是這可以由振蕩光線所看到的外部區域的較低的折射率來補償。然而，這樣的想法往往是相當誤導人的。例如，它們可能會產生這樣一種預期，即橫波矢量分量增加后，高階光纖模式在光纖中會經歷更大的相位延遲，而事實恰恰相反。因此，我們建議還是謹慎一些，并且持有懷疑主義來對待。

圖7顯示了一個模擬，其中高斯輸入光束在一定程度上偏移了光纖核心的中心。在光纖中，強度剖面在沒有完全到達核心區域邊緣的情況下振蕩。

圖7：光束在漸變折射率光纖中的傳播，高斯輸入光束與光纖芯的中心有輕微的偏移。水平的灰色線條表示地核的邊緣。

作為對比，圖8顯示了具有相同芯半徑和最大折射率的階躍折射率設計的相同結果。結果看起來完全不同。

圖8：與圖7相同，但是對于階躍折射率剖面來說的。

圖9顯示了梯度折射率光纖的每個模式的一個點，其中坐標表示模式面積和群速度。可以看到，所有振型的群速度幾乎相同，而有效振型區域跨度很大。

圖9：具有拋物線折射率的梯度折射率光纖的群速度與模面積。（為了簡單起見，在指數分布中忽略了物質分散。）不同的顏色表示不同的m值。所有模態的群速度幾乎相同。