Если сердцевина оптического волокна не находится точно по центру керамической трубки, будет ли свет проходить через нее?
Это очень классическая проблема в области физики и проектирования оптоволоконной связи.
Проще говоря: для самого патч-корда с одной оптической жилой свет все еще может пройти; но для всей системы оптоволоконного соединения, если концентричность не соответствует требованиям, свет не сможет «пройти» при стыковке (вызывая очень большие потери).
Нам нужно рассматривать «передачу внутри одной оптической жилы» и «стыковку между двумя оптическими жилами» как два отдельных физических процесса:
1. Механизм передачи по одной жиле (почему свет проходит внутри одной оптической жилы)
Передача света по оптоволокну определяется физическим принципом полного внутреннего отражения (Total Internal Reflection) на границе сердцевины (Core) и оболочки (Cladding).
Пока геометрическая структура самого стекла и распределение показателей преломления не нарушены, даже если сердцевина отклоняется от геометрического центра внешней керамической втулки (Ferrule) из-за производственных погрешностей (т.е. существует эксцентриситет), свет все равно будет проходить полное внутреннее отражение внутри сердцевины и успешно передаваться к другому торцу оптического волокна для выхода.
2. Механизм стыковки двух жил (почему плохая концентричность приводит к невозможности «прохода»)
Настоящая задача оптического разъема (например, FC, SC, LC и т.д.) — точно сопрягать свет из одной оптической жилы в другую.
При физической стыковке керамические втулки двух патч-кордов выравниваются по внешнему диаметру с помощью керамической разрезной втулки в адаптере (фланце). Если концентричность (Concentricity) керамических втулок не соответствует требованиям (то есть сердцевина не находится точно в центре внешней окружности керамической втулки):
- При физической стыковке двух втулок их внешние окружности выравниваются, но из-за эксцентриситета между сердцевинами двух оптических жил возникает боковое смещение (Lateral Offset).
- Для стандартного одномодового оптического волокна диаметр модового поля ( \text{MFD} ) обычно составляет всего около 9.2\ \mu\text{m} . Из-за чрезвычайно тонкой сердцевины даже небольшое боковое смещение приведет к катастрофической вставке потерь (Insertion Loss, IL).
Количественная физическая зависимость бокового смещения и вставки потерь:
Согласно теории сопряжения гауссова пучка, при стыковке двух одномодовых оптических волокон вносимые потери \text{IL} (в децибелах, \text{dB} ), вызванные боковым смещением, могут быть приближенно оценены следующей формулой:
\text{IL (dB)} \approx 4.34 \times \left( \frac{d}{w_0} \right)^2
Где d — расстояние бокового смещения между двумя сердцевинами, w_0 — радиус модового поля оптического волокна (для одномодового волокна w_0 \approx 4.6\ \mu\text{m} ).
- Небольшое смещение ( d = 1\ \mu\text{m} ): вносимые потери составляют около 0.2\text{ dB} . Это допустимые потери при сопряжении высокого качества в оптоволоконной связи.
- Среднее смещение ( d = 3\ \mu\text{m} ): потери резко возрастают примерно до 1.8\text{ dB} (при этом более 30\% световой энергии уходит в оболочку и не может попасть в сердцевину следующего участка оптического волокна).
- Серьезное смещение ( d = 5\ \mu\text{m} ): потери превысят 5\text{ dB} (что эквивалентно потере более 70\% световой энергии). Если обе соединительные втулки имеют серьезный эксцентриситет и направлены в противоположные стороны, суммарное смещение может превысить радиус сердцевины, при этом свет практически не будет сопрягаться в следующую сердцевину, что приведет к полному обрыву линии на приемной стороне. На практике это проявляется как «свет не проходит».
3. Промышленные стандарты контроля концентричности
Для обеспечения очень низких вносимых потерь (например, \le 0.3\text{ dB} ) при многократном подключении и отключении оптоволоконных соединителей, промышленность предъявляет чрезвычайно строгие требования к геометрическим размерам и концентричности втулок:
- Керамическая втулка для одномодового оптического волокна:
Поскольку сердцевина составляет всего 9\ \mu\text{m} , концентричность (эксцентриситет) внутреннего отверстия керамической втулки относительно ее внешнего диаметра обычно требует контроля в пределах $
< 1.4\ \mu\text{m} , а для высокоточных стандартных патч-кордов (Master Jumpers) требуется контроль в пределах < 0.5\ \mu\text{m} $ . - Керамическая втулка для многомодового оптического волокна:
Поскольку сердцевина многомодового оптического волокна толще (обычно 50\ \mu\text{m} или 62.5\ \mu\text{m} ), допускается большее боковое смещение, поэтому требования к концентричности втулки относительно более мягкие, обычно достаточно < 3.0\ \mu\text{m} или < 4.0\ \mu\text{m} .
4. Технология патч-кордов, связанная с Dacheng Yongsheng (OFSCN®)
Стандартные и специальные патч-корды, поставляемые Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), в процессе производства осуществляют чрезвычайно строгий контроль концентричности керамических втулок, допусков формы внутреннего отверстия и технологии центрирования оптического волокна, чтобы обеспечить крайне низкие вносимые потери в различных суровых, экстремальных физических условиях и температурных режимах.
Ниже приведены соответствующие высокопроизводительные продукты патч-кордов:
