числова апертура

Волоконна оптика. Теорія та практика
Девід Бейлі, Едвін Райт

3.3. числова апертура

У попередніх розділах * даної глави обговорювався процес проходження світла через оптичне волокно. В даному розділі будуть обговорюватися вимоги для прийому променів в оптичне волокно.

Як зазначалося в розділі 3.1.7. для успішного проходження світла через оптичне волокно він повинен увійти в волокно і відбиватися від оболонки з кутами, великими критичного. Через те, що в результаті заломлення напрямок поширення (світлових променів змінюється, для успішного проходження променя через оптичне волокно накладаються обмеження на кут, під яким промінь може надійти в сердечник. Будь промінь, падаючий на оболонку під кутом менше критичного, проникне в оболонку і буде втрачено. Це показано на рис. 3.10.

Оскільки волокно циліндричний, що входять в волокно промені утворюють конус. Всі промені, що входять в сердечник зсередини цього конуса, будуть падати на оболонку під кутом більше критичного, тому зможуть благополучно поширюватися уздовж волокна. Цей конус називають "конусом прийому" (рис. 3.11).

Мал. 3.10. Промінь світла, що проникає в сердечник волокна

Мал. 3.11. Конус прийому оптичного волокна

Половина (# 952; 1) від кута при вершині конуса прийому називається "кутом прийому". Його величина залежить, від показників заломлення сердечника, оболонки і повітря (причому у повітря показник заломлення 1) або будь-якого іншого матеріалу джерела світла. Промінь світла, що входить в сердечник під кутом, більшим # 952; 1 буде розсіюватися в оболонці. Промінь світла, що входить під кутом рівно # 952; 1. падатиме на кордон сердечника і оболонки під (критичним) кутом # 952; C і буде рухатися паралельно цьому кордоні.

Для вказівки збиральної здатності волокна використовується спеціальна міра. Вона називається "числова апертура" (numerical aperture). Числова апертура представляє собою синус кута прийому, тобто:

Її можна виразити також через множник коефіцієнтів заломлення волокна.

Якщо є два волокна з одним і тим же діаметром сердечника, але з різними числовими апертурами, волокно з більшою апертурою буде приймати більше світлової енергії від джерела світла, ніж волокно з меншою апертурою. Якщо є два волокна з однаковими апертурами, але з різними діаметрами, волокно з великим діаметром отримає в сердечник більше світлової енергії, ніж волокно з меншим діаметром. Це показано на рис. 3.12.

Мал. 3.12, а. Волокна з різними числовими апертурами, але з однаковими діаметрами

Мал. 3.12, б, Волокна з однаковими числовими апертурами, але з різними діаметрами

Оптичні волокна з великими апертурами або діаметрами приймають більше світла, ніж волокна з меншими апертурами або діаметрами. Волокна з великими апертурами і діаметрами більше підходять для недорогих передавачів, таких, як світло-діоди, які не здатні концентрувати вихідну енергію в вузький когерентний пучок (як лазери) і випромінюють під великим кутом. Однак недоліком волокна з такими параметрами є велика дисперсія (розсіювання) світла, введеного в сердечник, а отже, і зниження смуги пропускання волоконної передачі (це обговорюється далі в розділах 3.5 і 3.6). З іншого боку, волокно з меншою апертурою або діаметром матиме більшу смугу пропускання. Це відбувається тому, що в сердечник входять щодо паралельні промені світла і їх дисперсія уздовж волокна буде менше. Недоліком же в цьому випадку є необхідність в більш дорогих джерелах світла (таких, як лазери), що надають більш вузькі пучки світла, і в більш точній вирівнюванні передавача і сердечника.