Диаметры сердечника и модового поля оптоволокна

Существует два понятия описывающих одномодовые волокна: диаметр светопроводящей сердцевины оптоволокна и диаметр модового поля (MFD). Первое понятие чаще используется на вводных лекциях по теории оптической передачи. В стандартах же и спецификациях указывается "диаметр модового поля" или "диаметр модового пятна".

Некоторое различия в словосочетаниях диаметр модового поля, диаметр модового пятна, диаметр поля моды возникли из-за варианотов перевода английского термина "Mode field diameter (MFD)"

Далее представлен отрывок из учебника раскрывающий значение термина "поле моды"

Шарварко В.Г. Волоконно-оптические линии связи. Учебное пособие (2006)
2.6 Особенности работы оптических световодов

… В случае одномодовых волокон оказывается, что достаточно большая часть мощности распространяется в оболочке, хотя и убывает по экспоненте как поверхностная волна. Эта часть мощности вызывает так называемые моды оболочки.

В одномодовых волокнах это явление оценивается диаметром dпм или радиусом rпм поля моды (рис.2.9,в). При этом считается, что распространение по радиусу имеет гауссовый вид: I(r)=ехр(-r/rпм), dпм=2rпм (пм - пятно моды).

Экспериментально измеренное значение диаметра поля моды dпм=2rпм по уровню 1/e² от максимума больше диаметра сердцевины и нормируется как один из параметров волокна, точным образом зависящий от длины волны (рис.2.11).

Ход лучей на границе сердцевины оптоволокна Диаметр модового поля сердцевины оптоволокна
Рис.2.9. Ход лучей на границе (а) и диаметр модового поля (б)

Отношение мощности в оболочке к мощности в сердцевине ОВ
Рис.2.10. Отношение доли мощности, распределяющейся в оболочке Р0 к доли мощности в сердцевине РВ

Поперечное распределение интенсивности излучения в оптоволокне
Рис.2.11. Поперечное распределение интенсивности в ВС

После всех этих формул и графиков можно сделать простые выводы:

- диаметр модового поля всегда больше диаметра сердечника

- диаметр модового поля зависит от длины волны света в оптоволокне и в стандартах указывается применительно к определённой λ

- диаметр модового поля зависит от профиля коэффициента преломления оптоволокна

Почему "диаметр сердцевины" не описывается в стандартах

Одномодовое оптоволокно Иногда рассматривая рисунки подобные тому, что слева, можно представить себе, что светопроводящая сердцевина механически может быть отделена от волокна. Но на самом деле оптическое волокно это цельная кварцевая нить и даже оптически выделить в нём сердцевину можно только специальным оборудованием. Пример система юстировки волокон PAS

Изменение показателя преломления в современных оптических волокнах зачастую не определяет какого-либо чёткого световода. Как ядро, так и окружающее его стекло может иметь сложный профиль, созданный таким для улучшения различных характеристик. И, соответственно, понятие диаметр сердцевины уже не отражает оптических характеристик волокна.

Далее пример различных профилей оптических волокон

Профили показателя преломления в оптоволокне G.653

Профили показателя преломления в оптоволокне G.654

Профили показателя преломления в оптоволокне G.655
Рис. 1.2. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах
Со страницы Типы оптических волокон

Сердцевину здесь, конечно же, выделить можно, но её размеры и плотность светового потока в различных её точках не однородна. Поэтому и понятие "диаметр сердцевины" в описаниях свойств одномодовых волокон не используется

Для практического применения, например сварки или измерений волокна эти различия в понятиях значения не имеют. И сварочники, и измерительные приборы, как правило, оперируют только понятиями одномодовое и многомодовое оптоволокно, не различая при этом диаметры модовых полей и многих других параметров. Поэтому этот материал скорее для студентов.