Jak rozchodzi się światło: odbicie, mody, apertura numeryczna

Światłowód to falowód: szklany rdzeń otoczony szkłem o nieco niższym współczynniku załamania, dzięki czemu światło padające na granicę pod małym kątem odbija się z powrotem zamiast uciekać. Z tego jednego faktu wynikają różnice między światłowodem jednomodowym a wielomodowym, kąt akceptacji decydujący o tym, ile światła ze źródła wejdzie do włókna, powód, dla którego ciasne zgięcie przepuszcza światło na zewnątrz, oraz klasy OM1–OM5 i OS2, do których odwołują się karty katalogowe. Ta strona omawia tę fizykę na poziomie szczegółowości używanym przy projektowaniu łącza.

Budowa światłowodu

Różnica współczynnika załamania między rdzeniem a płaszczem jest znikoma — około 0,3–0,5 % — ale wystarcza, bo światło biegnie niemal równolegle do osi.

Całkowite wewnętrzne odbicie i apertura numeryczna

Światło przechodzące z ośrodka gęstszego do rzadszego odchyla się od normalnej; powyżej kąta krytycznego ulega całkowitemu odbiciu. W światłowodzie oznacza to, że promienie mieszczące się w stożku wokół osi zostają uwięzione. Połowę kąta tego stożka w powietrzu określa apertura numeryczna:

Wyższe NA = łatwiejsze wprzęganie, ale więcej modów i więcej dyspersji modowej.

Mody

Mod to stabilny rozkład pola, który może rozchodzić się wzdłuż falowodu. Ich liczba zależy od rozmiaru rdzenia, NA i długości fali (liczby V):

Światłowód jednomodowy jest jednomodowy tylko powyżej swojej długości fali odcięcia (≈ 1 260 nm dla G.652): przy 850 nm prowadzi kilka modów, dlatego moduł SR 850 nm na światłowodzie jednomodowym nie działa poprawnie i dlatego parą jest „jednomodowy przy 1310/1550” (Niedopasowania fizyczne).

Profil skokowy i gradientowy

To jakość profilu gradientowego odróżnia OM3 (2 000 MHz·km) od OM4 (4 700 MHz·km): ta sama geometria, dokładniejsza krzywa współczynnika załamania.

Średnica pola modowego i strata sprzężenia

W światłowodzie jednomodowym światło nie jest ograniczone do rdzenia 9 µm; jego średnica pola modowego (MFD) wynosi ≈ 9,2 µm przy 1310 nm i ≈ 10,4 µm przy 1550 nm. Dwa światłowody o różnych MFD albo przesunięcie boczne na złączu tracą światło:

Stąd zasady „nigdy nie mieszaj 50 i 62,5” oraz „nigdy nie mieszaj jednomodowego z wielomodowym” (Złącza i typy światłowodu).

Strata na zgięciu

Światłowód wielomodowy jest bardziej tolerancyjny na zgięcia, ale najpierw traci mody wyższego rzędu, co zmienia jego szerokość pasma.

Klasy światłowodów w jednej tabeli

Zasięg według PMD i klasy: Tabele zasięgu.

Co to oznacza dla transceivera

• Typ złącza i typ światłowodu modułu muszą pasować do infrastruktury: SR/SR4 na OM3/OM4, wszystko inne na OS2.
• Warunek wprowadzenia światła lasera (encircled flux dla VCSEL-i) jest zdefiniowany w normach, dzięki czemu wartości szerokości pasma dla światłowodu wielomodowego są prawdziwe — moduł niezgodny ze specyfikacją daje krótszy zasięg, niż obiecują tabele.
• Moduły jednomodowe na światłowodzie wielomodowym (z patchcordem kondycjonującym mody) to była sztuczka z czasów 1G (1000BASE-LX na OM1); nie działa to przy 10G i więcej.

W CodingBox

Moduł mówi hostowi, dla jakiego światłowodu jest przeznaczony: kod złącza, długość fali i pola długości dla SMF, OM1, OM2, OM3 i OM4 — te same klasy, co powyżej. CodingBox je pokazuje, dzięki czemu kwestia światłowodu jest rozstrzygnięta, zanim moduł opuści stanowisko (Check transceiver, Mapa pamięci).

Znormalizowane światłowody, które wynikają z tych zasad — ITU-T od G.652 do G.657, klasy wielomodowe OM1–OM5, światłowody specjalne, straty na połączeniach różnych światłowodów i sposób rozpoznania tego, co jest zainstalowane: Rodzaje światłowodów.