Каков диаметр их стеклянного сердечника и защитной оболочки соответственно? Почему их нельзя просто соединить вместе?
В области оптической связи и оптических датчиков, физические размеры одномодовых оптических волокон (SMF, Single-Mode Fiber) и многомодовых оптических волокон (MMF, Multi-Mode Fiber) имеют четкие общие промышленные стандарты.
Далее мы подробно рассмотрим различия в диаметре стеклянного сердечника, оболочки и покрытия, а также глубокие физические причины, по которым их категорически нельзя смешивать и напрямую соединять.
I. Диаметральные параметры одномодовых и многомодовых оптических волокон
Стандартное голое оптическое волокно имеет три основных слоя, расположенных от центра к периферии: сердечник (Core), оболочка (Cladding) и защитное покрытие (Coating).
1. Диаметр стеклянного сердечника (Core Diameter)
- Одномодовое оптическое волокно:
Его стеклянный сердечник очень тонкий, и общий стандарт обычно составляет всего около 9\ \mu\text{m}. Это сделано для того, чтобы гарантировать, что при рабочей длине волны (например, 1310\ \text{nm} или 1550\ \text{nm}) свет может распространяться только в одном режиме (основной режим LP_{01}), полностью устраняя модовую дисперсию. - Многомодовое оптическое волокно:
Его стеклянный сердечник значительно толще, с наиболее распространенными стандартными внешними диаметрами 50\ \mu\text{m} (как у типичных OM2, OM3, OM4) или 62.5\ \mu\text{m} (как у OM1). Более толстый сердечник позволяет одновременно передавать сотни и тысячи световых мод в сердечнике путем полного отражения под различными углами.
2. Диаметр стеклянной оболочки (Cladding Diameter)
- Как для одномодовых, так и для многомодовых оптических волокон внешний диаметр кварцевой стеклянной оболочки является полностью одинаковым и составляет унифицированные 125\ \mu\text{m}.
- Эта высокоточная унифицированная конструкция обеспечивает одинаковую механическую выравнивание и эталон позиционирования при использовании керамических наконечников, фланцевых адаптеров или сварочных аппаратов для оптического волокна.
3. Диаметр внешнего защитного покрытия (Coating Diameter)
- Стандартные оптические волокна:
Обычное акрилатное покрытие обычно имеет внешний диаметр 255\ \mu\text{m}. Примерами являются стандартное одномодовое оптическое волокно OFSCN® G.652D Optical Fiber и одномодовое оптическое волокно с нечувствительностью к изгибу OFSCN® G.657 Optical Fiber. - Специальные высокотемпературные оптические волокна:
Для работы в экстремальных температурах внешняя оболочка обычно изготавливается из очень тонкого полиимидного материала. Например, OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber. Независимо от того, является ли внутреннее волокно одномодовым (сердечник 9\ \mu\text{m}) или многомодовым (сердечник 50\ \mu\text{m} или 62.5\ \mu\text{m}), его стеклянная оболочка имеет стандартные 125\ \mu\text{m}, но из-за очень тонкого покрытия внешний диаметр покрытия составляет всего 155\ \mu\text{m}.
II. Почему нельзя просто так соединять одномодовые и многомодовые оптические волокна?
Несмотря на то, что внешний диаметр стекла (оболочка 125\ \mu\text{m}) и физические коннекторы могут выглядеть одинаково, прямое сращивание или соединение через фланец приведет к серьезному ухудшению оптического сигнала:
1. Чрезвычайно высокий коэффициент потерь из-за геометрического рассогласования
- Многомодовое волокно передает в одномодовое ( MMF \rightarrow SMF ):
Свет из большого сердечника с очень широким распределением энергии (50\ \mu\text{m} или 62.5\ \mu\text{m}) переходит в маленький сердечник (9\ \mu\text{m}). Это похоже на попытку влить воду из широкого пожарного шланга в очень тонкий капилляр. Только очень немногие лучи света, находящиеся на центральной оси, смогут попасть в сердечник одномодового волокна, в то время как большая часть периферийных лучей высших мод будет напрямую утекать в оболочку одномодового волокна, где они рассеются и затухнут на очень коротком расстоянии. Это приведет к огромным потерям из-за геометрического несоответствия до 10\ \text{dB} - 20\ \text{dB} и более, что приведет к почти полному прерыванию оптического канала связи. - Одномодовое волокно передает в многомодовое ( SMF \rightarrow MMF ):
Свет из маленького сердечника (9\ \mu\text{m}) переходит в большой сердечник (50\ \mu\text{m}). Хотя с геометрической точки зрения вся световая энергия из сердечника одномодового волокна может быть введена в большой сердечник многомодового волокна почти без потерь энергии, такое локальное введение возбуждает сложные и нестабильные пространственные моды высших порядков (т. е. неравномерное распределение мод) в многомодовом волокне. Это вызывает серьезную модовую дисперсию (Modal Dispersion), приводя к значительному уширению и искажению оптического импульса при передаче, что сильно ограничивает дальность передачи и полосу пропускания, а также создает значительный фазовый шум на приемном конце.
2. Несоответствие источника света и механизма передачи
- Одномодовые системы обычно работают с полупроводниковыми лазерами (LD) с узкой спектральной линией и высокой когерентностью, разработанными для сверхдальних и сверхширокополосных передач на километры или даже через океан.
- Многомодовые системы чаще всего используют недорогие светоизлучающие диоды (LED) или поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL). Из-за серьезной модовой дисперсии они обычно ограничены короткими расстояниями до сотен метров, например, в центрах обработки данных.
- Физические принципы передачи двух систем полностью противоположны. Их принудительное смешанное соединение приведет к дисбалансу бюджета оптической мощности системы, резкому увеличению частоты битовых ошибок, и даже к аномалиям в обратной связи фотоэлектрического преобразования оптических модулей из-за серьезных потерь на отражение (Return Loss).
Заключение
На практике, внешние размеры оболочки одномодовых и многомодовых оптических волокон полностью совпадают, но размеры их самых важных оптических каналов (сердечников) существенно различаются. В связи со строгим контролем целостности сигнала и вносимых потерь, одномодовые и многомодовые оптические волокна никогда не должны смешиваться и напрямую соединяться при развертывании любых оптических сетей и оптических сенсоров.
Для ознакомления с конфигурацией диаметра одномодовых и многомодовых волокон для специальных применений или в условиях высоких температур, вы можете обратиться к следующим спецификациям специальных оптических волокон OFSCN®:
