Как распространяется свет: отражение, моды, апертура

Волокно — волновод: стеклянная сердцевина, окружённая стеклом с чуть меньшим показателем преломления, так что свет, встречающий границу под пологим углом, отражается обратно, а не уходит. Из этого одного факта следуют различия одномодового и многомодового волокна, угол приёма, решающий, сколько света источника попадёт внутрь, причина, по которой тугой изгиб теряет свет, и классы OM1–OM5 и OS2, на которые ссылаются даташиты. Здесь эта физика изложена в глубину, используемую при проектировании линий.

Устройство волокна

Слой	Диаметр	Материал	Роль
Сердцевина	9 мкм (одномод), 50 или 62,5 мкм (многомод)	кварц, легированный германием (выше показатель)	несёт свет
Оболочка	125 мкм	чистый или легированный фтором кварц (ниже показатель)	удерживает свет полным внутренним отражением
Покрытие	250 мкм (или 200 мкм)	акрилат	механическая защита; цветовая маркировка в кабелях
Буфер / оболочка кабеля	900 мкм плотный буфер или свободная трубка	пластик	обращение; к оптике не относится

Разница показателей преломления сердцевины и оболочки крошечная — около 0,3–0,5 %, — но её достаточно, потому что свет идёт почти параллельно оси.

Полное внутреннее отражение и числовая апертура

Свет, переходя из более плотной среды в менее плотную, отклоняется от нормали; за критическим углом он отражается полностью. В волокне это значит, что лучи в конусе вокруг оси захвачены. Полуугол этого конуса в воздухе задаётся числовой апертурой:

Волокно	NA	Полуугол приёма	Смысл
Одномод G.652	≈ 0,12–0,14	≈ 7–8°	вводится только узкий точно нацеленный пучок — только лазерные источники
Многомод 50 мкм (OM2–OM5)	0,20	≈ 11,5°	широкий приём — VCSEL и светодиоды вводятся легко
Многомод 62,5 мкм (OM1)	0,275	≈ 16°	самый широкий; наследие

Больше NA = проще ввод, но больше мод и больше модовой дисперсии.

Моды

Мода — устойчивая картина поля, способная идти по волноводу. Их число зависит от размера сердцевины, NA и длины волны (V-число):

Волокно	Мод на 850 нм	Мод на 1310 нм	Следствие
одномод 9 мкм	— (было бы несколько мод)	1	нет модовой дисперсии; дальность задают затухание и хроматическая дисперсия
многомод 50 мкм	сотни	~100	модовая дисперсия ограничивает полосу × расстояние (Дисперсия и полоса)
многомод 62,5 мкм	~1 000	—	худшая модовая дисперсия

Одномодовое волокно одномодово только выше длины волны отсечки (≈ 1 260 нм для G.652): на 850 нм оно несёт несколько мод — поэтому SR-модуль 850 нм по одномоду работает неправильно, а «одномод на 1310/1550» — правильная пара (Несовпадения физики).

Ступенчатый и градиентный профиль

Профиль	Форма показателя	Где	Эффект
Ступенчатый	постоянный показатель сердцевины, резкая ступень к оболочке	одномодовое волокно	для одной моды неважно
Градиентный	параболический: максимум на оси, спад к оболочке	весь телекоммуникационный многомод (OM1–OM5)	внешние лучи идут дальше, но быстрее (ниже показатель), так что моды приходят почти вместе — модовая дисперсия снижена в 100 раз против ступенчатого

Качество градиентного профиля и отличает OM3 (2 000 МГц·км) от OM4 (4 700 МГц·км): та же геометрия, более точная кривая показателя.

Диаметр модового поля и потери на стыке

В одномодовом волокне свет не заперт в сердцевине 9 мкм; его диаметр модового поля (MFD) ≈ 9,2 мкм на 1310 нм и ≈ 10,4 мкм на 1550 нм. Два волокна с разным MFD или поперечное смещение в разъёме теряют свет:

Несовпадение	Потери
поперечное смещение 1 мкм (SMF)	≈ 0,2 дБ
поперечное смещение 2 мкм	≈ 0,8 дБ
MFD 9,2 против 10,4 мкм (G.652 к G.657.B или DSF)	≈ 0,1–0,3 дБ
50 мкм в сердцевину 62,5 мкм	≈ 0 дБ (потери возникают в обратном направлении)
62,5 мкм в сердцевину 50 мкм	2–4 дБ
SMF в MMF	≈ 0 дБ на стыке, но возбуждаются моды → модовый шум
MMF в SMF	> 10 дБ

Отсюда правила «никогда не смешивать 50 и 62,5» и «никогда не смешивать одномод и многомод» (Разъёмы и типы волокна).

Потери на изгибах

Тип изгиба	Причина	Эффект
Макроизгиб	радиус меньше ~30 мм (стандартный SMF), тугие стяжки, двери	свет уходит из оболочки; потери резко растут с длиной волны — линия, исправная на 1310 нм, отказывает на 1550 нм, а тест на 1625 нм находит изгибы, которых 1310 нм не видит
Микроизгиб	микроскопические отклонения оси от напряжений кабеля, холода, сдавливания	широкополосный рост потерь
Нечувствительное к изгибу волокно G.657.A1/A2/B3	профиль с траншеей	допустимый радиус 10–7,5–5 мм; внутри зданий, в абонентских вводах FTTH и плотных кроссах

Многомод терпимее к изгибам, но теряет сначала моды высших порядков, что меняет его полосу.

Классы волокна в одной таблице

Класс	Сердцевина	Длины волн	Полоса (EMB на 850 нм)	Затухание	Стандарт
OM1	62,5 мкм	850 / 1300	200 МГц·км	3,5 / 1,5 дБ/км	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 мкм	850 / 1300	500	3,5 / 1,5	TIA-492AAAB
OM3	50 мкм	850 (лазерно-оптимизированное)	2 000	3,0 / 1,5	TIA-492AAAC
OM4	50 мкм	850	4 700	3,0 / 1,5	TIA-492AAAD
OM5	50 мкм	850–953 (широкополосное)	4 700 на 850, 2 470 на 953	3,0 / 1,5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 мкм	1310 / 1550	—	1,0 / 1,0 (внутренний, плотный буфер)	ISO 11801
OS2	9 мкм	1310 / 1383 / 1550	—	0,4 / 0,4 / 0,4 (свободная трубка, низкий водяной пик)	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 мкм	как OS2	—	как OS2	нечувствительное к изгибу
G.655 / G.654	9 мкм	1550	—	0,2 / 0,17	NZ-DSF для DWDM; сверхнизкие потери для дальних линий

Дальность по PMD и классам: Таблицы дальности.

Что это значит у трансивера

Тип разъёма и волокна модуля должны совпадать с хозяйством: SR/SR4 по OM3/OM4, всё остальное по OS2.
Условие ввода лазера (encircled flux для VCSEL) задано стандартами, чтобы цифры полосы многомода выполнялись — модуль вне спецификации даёт дальность меньше табличной.
Одномодовые модули по многомоду (со шнуром согласования мод) были трюком 1G (1000BASE-LX по OM1); на 10G+ он не распространяется.

В CodingBox

Модуль сообщает хосту, для какого волокна он предназначен: код разъёма, длина волны и поля длин для SMF, OM1, OM2, OM3 и OM4 — те же классы, что выше. CodingBox их показывает, так что вопрос волокна решается до того, как модуль покинет стол (Check transceiver, Карта памяти).

Стандартизованные волокна, которые дают эти принципы — ITU-T G.652…G.657, многомодовые классы OM1–OM5, специальные волокна, потери на стыках разных волокон и как определить, что проложено: Типы волокна.