Hoe licht zich voortplant: reflectie, modi, numerieke apertuur

Een glasvezel is een golfgeleider: een glazen kern omringd door glas met een iets lagere brekingsindex, zodat licht dat de grens onder een kleine hoek raakt wordt teruggekaatst in plaats van te ontsnappen. Uit dat ene feit volgen de verschillen tussen singlemode- en multimodeglasvezel, de acceptatiehoek die bepaalt hoeveel licht van een bron binnenkomt, de reden waarom een scherpe buiging licht laat weglekken en de klassen OM1–OM5 en OS2 waar datasheets naar verwijzen. Deze pagina behandelt die fysica op de diepte die voor linkontwerp nodig is.

Opbouw van een glasvezel

Het verschil in brekingsindex tussen kern en mantel is klein — ongeveer 0,3–0,5 % — maar voldoende, omdat het licht vrijwel parallel aan de as loopt.

Totale interne reflectie en numerieke apertuur

Licht dat van een dichter naar een minder dicht medium gaat, buigt van de normaal af; voorbij de kritische hoek wordt het volledig gereflecteerd. In een glasvezel betekent dit dat stralen binnen een kegel rond de as gevangen blijven. De halve hoek van die kegel in lucht wordt bepaald door de numerieke apertuur:

Een hogere NA maakt koppeling eenvoudiger, maar geeft meer modi en meer modale dispersie.

Modi

Een modus is een stabiel veldpatroon dat door de geleider kan lopen. Het aantal hangt af van de kerngrootte, NA en golflengte (het V-getal):

Singlemodeglasvezel is alleen singlemode boven zijn afsnijgolflengte (≈ 1 260 nm voor G.652): bij 850 nm draagt deze meerdere modi. Daarom werkt een SR-module van 850 nm op singlemodeglasvezel niet goed en is singlemode bij 1310/1550 nm de gebruikelijke combinatie (Fysieke mismatches).

Step-index en graded-index

De kwaliteit van het graded-profiel onderscheidt OM3 (2 000 MHz·km) van OM4 (4 700 MHz·km): dezelfde geometrie, een nauwkeuriger indexcurve.

Modevelddiameter en koppelverlies

In singlemodeglasvezel is licht niet beperkt tot de kern van 9 µm; de modevelddiameter (MFD) is ≈ 9,2 µm bij 1310 nm en ≈ 10,4 µm bij 1550 nm. Twee glasvezels met verschillende MFD's, of een laterale verschuiving bij een connector, verliezen licht:

Daarom gelden de regels ‘meng nooit 50 en 62,5’ en ‘meng nooit singlemode en multimode’ (Connectoren en glasvezeltypen).

Buigverlies

Multimode is toleranter voor buigingen, maar verliest eerst modi van hoge orde, wat de bandbreedte verandert.

Glasvezelklassen in één tabel

Bereik per PMD en klasse: Bereiktabellen.

Wat dit betekent bij de transceiver

• Het connectortype en glasvezeltype van de module moeten met de installatie overeenkomen: SR/SR4 op OM3/OM4, al het overige op OS2.
• De lanceerconditie van een laser (encircled flux voor VCSELs) wordt door normen vastgelegd, zodat de multimodebandbreedtecijfers gelden — een module buiten specificatie heeft een korter bereik dan de tabellen beloven.
• Singlemodemodules op multimodeglasvezel (met een mode-conditioning-patchkabel) waren een 1G-truc (1000BASE-LX op OM1); dit geldt niet voor 10G+.

In CodingBox

De module vertelt de host voor welke glasvezel hij bedoeld is: connectorcode, golflengte en de lengtevelden voor SMF, OM1, OM2, OM3 en OM4 — dezelfde klassen als hierboven. CodingBox toont die velden zodat duidelijk is welke glasvezel nodig is voordat de module de werkbank verlaat (Check transceiver, Geheugenkaart).

De gestandaardiseerde glasvezels die uit deze principes voortkomen — ITU-T G.652 tot G.657, multimodeklassen OM1–OM5, speciale glasvezels, verbindingsverliezen tussen verschillende glasvezels en het vaststellen van de geïnstalleerde glasvezel: Glasvezeltypen.