5.3.1-5.3.8. без 5.3.5 / 5.3.8. Апертура ОВ. Понятие числовой апертуры. Высокоапертурные и низкоапертурные ОВ

 

Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при кото­ром выполняется условие полного внутреннего отражения.

Учитывая, что в световоде границей раздела сред сердцевина — оболоч­ка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения и апертуру. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Прохождение лучей в световоде

По законам геометрической оптики в общем виде на границе сердечник— оболочка будут падающая волна с углом φ_п, отраженная с углом φ₀ и пре­ломленная волна с углом φ_пр (рис. 2.8, точка А). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. при n₁>n₂, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 2.8, точка В). Угол падения φ_п, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т. е. при φ_п = θ_В, называется углом полного внутреннего отражения:

где μ и ε — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости сердечника (μ₁, ε₁) и оболочки (μ₂, ε₂). При φ_п=θ_в преломленный луч про­ходит вдоль границы раздела сердцевина—оболочка и не излучается в окру­жающее пространство (рис. 2.8, луч 2 в точке Б).

При φ_п<θ_в энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду (рис. 2.8, луч 3 в точке В). Чем больше угол падения волны, т. е. φ_п>θ_в в пределах от θ_в до 90°, тем лучше условия распространения и тем быстрее волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающую среду. При падении луча под углом, меньшим угла полного отражения, т. е. φ_п<θ_в энергия проникает в оболочку, излу­чается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна (рис. 2.8, луч / в точке А).

Числовая аппертура

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.9, световод пропускает, лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θ_а, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θ_в Этот телесный угол θ_а характеризуется числовой апертурой . Значения числовой апертуры при n₁=1,51 в различ­ных значениях п₂ приведены в табл. 2.5. В действующих технических усло­виях .

n2	1,49	1,495	1.5	1,505
NA	0,245	0,212	0,173	0,123

Таблица 2.5

Как видно из рис. 2.9 между углами полного внутреннего отражения θ_В н апертурным углом падения луча θ_а имеется взаимосвязь. Чем больше угол θ_В, тем меньше апертура волокна θ_а. Следует стремиться к тому, чтобы угол падения луча на границу сердечник—оболочка φ_п был больше угла полного внутреннего отражения θ_В и находился в пределах от θ_В до 90°, а угол ввода луча в торец световода φ укладывался в апертурный угол θ_а (φ< θ_а).

Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура может быть определена на основе эквивалентного ступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить, зная максимальный показатель преломления в сердцевине.

Низкой числовой апертуре соответствует меньшая расходимость пучка на выходе из оптического волокна.

 

Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до 0.4.

Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3.

 

Для волокон с большой ЧА:

- Для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом поддерживают большее число мод.

- В одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна, соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны иметь низкую ЧА.

- Уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем потери изгиба становятся существенными.

- Уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой).

- Более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.