Числова апертура оптоволокна

Матеріал підготовлений Анастасією Джарти

Числова апертура - синус максимального кута падіння променя світла для оптичних приладів, або ж синус максимального вхідного кута хвилеводу або оптоволокна.

Є два різних значення терміна «числова апертура» (ЧА), що використовуються в контекстах волоконної оптики і оптики зображень.

Числова апертура оптичного волокна або хвилеводу

В променевої (геометричної) оптики промінь можна розглядати як світловий пучок, який поширюється в повітрі і потрапляє в серцевину (перпендикулярно розрізу) волокна із ступінчастим профілем показника заломлення з великою площею поперечного моди. Числова апертура (ЧА) волокна - це синус максимального кута падіння променя по відношенню до осі волокна, при якому світло входить в серцевину і далі поширюється по волокну. ЧА визначається як різниця показників заломлення серцевини і оболонки,

яке може бути визначено також з умови, що промінь вводиться в волокно під кутом повного внутрішнього відображення. Тут, n0 -Показник заломлення середовища навколо волокна, який близький до 1-в разі повітря.

Аналогічним чином, ЧА також може бути визначена і для інших видів волноводов.

Для опису поширення світла у волокнах з малою площею серцевини (наприклад, для одномодового волокна) необхідно розглядати хвильову природу світла. Геометрична оптика не може бути використана для опису поширення світла в таких волокнах. Однак наведене вище рівняння все ще може бути використано для розрахунку ЧА через показники заломлення. Складніше розрахунок ЧА для прямокутних (неступенчатого) профілю показника заломлення.

Високої числовий апертурі відповідає велика розбіжність пучка на виході з оптичного волокна, але також ця розбіжність випромінювання залежить від діаметра серцевини. Для волокон з профілем показника заломлення, відмінним від ступеневої (тобто в таких, де серцевина не має постійного показника заломлення), ефективна числова апертура може бути визначена на основі еквівалентного ступеневої профілю показника заломлення. Інакше, ЧА можна обчислити, знаючи максимальний показник заломлення в серцевині.

Для одномодового волокна ЧА, як правило, близько 0.1, але може варіюватися приблизно від 0.05 до 0.4. Багатомодові волокна зазвичай мають більш високу числову апертуру, наприклад, 0.3. Дуже високі значення можливі для фотоннокрісталліческіх волокон.

Для волокон з великою ЧА:

- Для заданої площі моди, волокна з більш високою ЧА краще проводять світло, тому що вони в цілому підтримують більше число мод.

- В одномодових волокнах менше діаметр серцевини волокна. Відповідна площа моди менше, а розбіжність пучка на виході з волокна більше. Нелінійні властивості волокна, відповідно, більше. З іншого боку, одномодові волокна з великою площею моди повинні мати низьку ЧА.

- Зменшуються втрати на вигинах волокна; волокно може бути більш сильно зігнуте перш, ніж втрати вигину стають істотними.

- Зменшується чутливість властивостей волокна до випадкових коливань показника заломлення (для волокон з великою площею моди з низькою ЧА це може бути проблемою).

- Більш висока концентрація домішки (наприклад германію), як потрібно для створення великої різниці показників заломлення, може збільшити втрати за рахунок розсіювання.