Что такое «некруглость оптического волокна»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Если оптоволокно не является идеальным кругом, будет ли оно не совпадать при соединении?

2

Да, если оптическое волокно некруглое или имеет геометрические искажения, это напрямую приведет к несоосности сердечников (смещению) при выполнении соединений волокон (включая стыковку активных разъемов и сварку), что вызовет значительные вносимые потери (Insertion Loss) и ухудшение обратного отражения.

В оптической инженерии такое несовмещение, вызванное геометрическими искажениями, в основном определяется следующими тремя связанными физическими параметрами:

  1. Нецилиндричность оболочки (Cladding Non-circularity): Степень отклонения поперечного сечения оболочки от идеальной окружности. Обычно определяется как:
    \text{Non-circularity} = \frac{D_{\max} - D_{\min}}{D_{\text{nominal}}} \times 100\%
    Где D_{\max} и D_{\min} - максимальный и минимальный внешний диаметры поперечного сечения оболочки соответственно.
  2. Ошибка концентричности сердечника/оболочки (Core-to-cladding Concentricity Error): Расстояние смещения между физическим центром сердечника и геометрическим центром оболочки. Это один из наиболее критических геометрических показателей, определяющих потери при стыковке одномодового волокна.
  3. Нецилиндричность сердечника (Core Non-circularity): Степень эллиптичности поперечного сечения сердечника вместо идеальной окружности.

I. Конкретное влияние геометрической нецилиндричности на различные типы соединений

1. Активные разъемы (механические стыки, такие как FC/PC, FC/APC и т. д.)

В активных оптических разъемах два волокна вставляются в керамические вставки из диоксида циркония. Внутреннее отверстие вставки (обычно от 125.5\ \mu\text{m} до 126\ \mu\text{m} ) является идеальной окружностью, которая механически позиционирует внешние окружности оболочек двух волокон для выравнивания.

  • Влияние нецилиндричности оболочки: Если оболочка волокна нецилиндрична (например, эллиптическая), волокно не может быть плотно позиционировано внутри отверстия вставки, что приводит к боковому люфту или вращательному смещению.
  • Влияние ошибки концентричности: Если сам сердечник имеет эксцентриситет (ошибка концентричности), даже если внешние окружности оболочки полностью выровнены, сердечники сместятся при стыковке двух волокон и их угловом вращении, вызывая боковое смещение d .
    Для одномодового волокна его диаметр модового поля (MFD) чрезвычайно мал (например, \text{MFD} = 9.2\ \mu\text{m} ). Согласно теории электромагнитных волноводов, вносимые потери L_{\text{offset}} , вызванные боковым смещением d , могут быть приблизительно оценены как:
    L_{\text{offset}} \approx 4.34 \left( \frac{d}{w} \right)^2\ \text{dB}
    (где w - радиус модового поля, для стандартного одномодового волокна w \approx 4.6\ \mu\text{m} ).
    Если из-за нецилиндричности или эксцентриситета сердечник смещается всего на 1\ \mu\text{m} , теоретические дополнительные потери составят:
    L_{\text{offset}} \approx 4.34 \times \left( \frac{1}{4.6} \right)^2 \approx 0.2\ \text{dB}
    Это неприемлемо для высокопроизводительных оптических передач и сетей оптических датчиков.

2. Сварка оптических волокон (Fusion Splicing)

При стыковке волокон сварочные аппараты используют два основных метода выравнивания:

  • Выравнивание по оболочке (Cladding Alignment): В основном используется в портативных сварочных аппаратах. Он позиционирует внешнюю окружность оболочки волокна с помощью прецизионных V-образных канавок (V-groove). Если оболочка волокна нецилиндрична или имеет отклонение концентричности, V-образные канавки могут обеспечить только выравнивание по внешней окружности, а сердечник неизбежно будет физически смещен, что приведет к значительному увеличению потерь при сварке.
  • Выравнивание по сердечнику (Core Alignment): Более совершенные сварочные аппараты используют систему визуализации с проходящим светом (PAS) для прямого выравнивания фактических сердечников обоих волокон. Этот метод может эффективно компенсировать некоторую нецилиндричность оболочки и ошибку концентричности. Однако, если нецилиндричность волокна слишком велика, это приведет к искажению микроскопической оптической системы, что помешает сварочному аппарату точно идентифицировать сердечник, и даже при сварке с разрядом (при высокой температуре во время разряда эффект самовыравнивания благодаря поверхностному натяжению стекловидного кварца) может произойти вторичное смещение сердечника.

II. Контроль геометрии высококачественных волокон

Для минимизации потерь при соединении и сварке высококачественные волокна и разъемы должны иметь нецилиндричность и ошибку концентричности, контролируемые в очень узких допусках на этапе производства.

Высокотемпературные волокна, производимые Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), изготавливаются из высококачественных преформ (таких как стандартная преформа G.652D) с нитью, строго контролируя геометрические искажения. В сочетании с высокоточными керамическими вставками они обеспечивают очень низкое затухание в широком диапазоне температур:

Чтобы соответствовать этим высокоточным волокнам при физическом соединении и избежать вторичного эксцентриситета, вызванного механической конструкцией, следует использовать разъемы и адаптеры высокого класса: