Числовая апертура

В предыдущих разделах * данной главы обсуждался процесс прохождения света по оптическому волокну. В данном разделе будут обсуждаться требования для приема лучей в оптическое волокно.

Как отмечалось в разделе 3.1.7, для успешного прохождения света по оптическому волокну он должен войти в волокно и отражаться от оболочки с углами, большими критического. Из-за того, что в результате преломления направление распространения( световых лучей меняется, для успешного прохождения луча по оптическому волокну накладываются ограничения на угол, под которым луч может поступить в сердечник. Любой луч, падающий на оболочку под углом меньше критического, проникнет в оболочку и будет потерян. Это показано на рис. 3.10.

Поскольку волокно цилиндрическое, входящие в волокно лучи образуют конус. Все лучи, входящие в сердечник изнутри этого конуса, будут падать на оболочку под углом больше критического, поэтому смогут благополучно распространяться вдоль волокна. Этот конус называют "конусом приема" (рис. 3.11).

Рис. 3.10. Луч света, проникающий в сердечник волокна

Рис. 3.11. Конус приема оптического волокна

Половина (θ₁) от угла при вершине конуса приема называется "углом приема". Его величина зависит, от показателей преломления сердечника, оболочки и воздуха (причем у воздуха показатель преломления 1) или любого другого материала источника света. Луч света, входящий в сердечник под углом, большим θ₁ будет рассеиваться в оболочке. Луч света, входящий под углом ровно θ₁, будет падать на границу сердечника и оболочки под (критическим) углом θ_C и будет двигаться параллельно этой границе.

Для указания собирательной способности волокна используется специальная мера. Она называется "числовая апертура" (numerical aperture). Числовая апертура представляет собой синус угла приема, то есть:

N A = sin(θ₁).

Ее можно выразить также через множитель коэффициентов преломления волокна.

Если имеются два волокна с одним и тем же диаметром сердечника, но с различными числовыми апертурами, волокно с большей апертурой будет принимать больше световой энергии от источника света, чем волокно с меньшей апертурой. Если есть два волокна с одинаковыми апертурами, но с различными диаметрами, волокно с большим диаметром получит в сердечник больше световой энергии, чем волокно с меньшим диаметром. Это показано на рис. 3.12.

Рис. 3.12,а. Волокна с различными числовыми апертурами, но с одинаковыми диаметрами

Рис. 3.12,б, Волокна с одинаковыми числовыми апертурами, но с различными диаметрами

Оптические волокна с большими апертурами или диаметрами принимают больше света, чем волокна с меньшими апертурами или диаметрами. Волокна с большими апертурами и диаметрами больше подходят для недорогих передатчиков, таких, как свето-диоды, которые не способны концентрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом. Однако недостатком волокна с такими параметрами является большая дисперсия (рассеяние) света, введенного в сердечник, а следовательно, и снижение полосы пропускания волоконной передачи (это обсуждается далее в разделах 3.5 и 3.6). С другой стороны, волокно с меньшей апертурой или диаметром будет иметь большую полосу пропускания. Это происходит потому, что в сердечник входят относительно параллельные лучи света и их дисперсия вдоль волокна будет меньше. Недостатком же в этом случае является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры), предоставляющих более узкие пучки света, и в более точном выравнивании передатчика и сердечника.