POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ ŚWIATŁOWODÓW

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ ŚWIATŁOWODÓW
Apertura numeryczna NA (ang. Numerical Aperture) w światłowodach włóknistych
definiowana jest jako sinus kąta stożka akceptacji. Jest to maksymalny kąt, w stosunku do osi symetrii
rdzenia, dla którego światło wprowadzone do światłowodu nie będzie z niego wyciekać, na skutek nie
spełniania warunku całkowitego wewnętrznego odbicia. Jej wartość zależy od właściwości materiałów
użytych do wykonania włókna (współczynników załamania rdzenia i płaszcza).
(1)
gdzie: α – kąt stożka akceptacji
n1 – współczynnik załamania światła rdzenia światłowodu
n2 – współczynnik załamania światła płaszcza światłowodu
Definicja taka oznacza, że dla większej NA większą część światła można wprowadzić do wnętrza
światłowodu.
Przykładowe wartości NA:
 światłowód kwarcowy wielomodowy skokowy: NA =0,242; α= 14°
 światłowód kwarcowy wielodomowy gradientowy: NA =0,208; α= 12°
 światłowód plastikowy NA =0,55; α= 33°
Aperturę numeryczną światłowodów (NA) wyznaczamy z pomiarów kątowego rozkładu mocy
optycznej (wychodzącej z badanego odcinka światłowodu) w dalekim polu.
Dalekie pole dla światłowodów włóknistych definiowane jest jako odległość Z pomiędzy płaszczyzną pomiaru kątowego rozkładu mocy optycznej, a powierzchnią czołową włókna spełniającą zależność:
(2)
gdzie: a – promień rdzenia światłowodu
λ – długość fali światła propagowana w światłowodzie
Rozkład mocy optycznej w bliskim polu – oznacza rozkład mocy optycznej mierzony na
wyjściowej powierzchni czołowej badanego odcinka światłowodu.
1
Aperturę numeryczną NA definiuje się jako sinus kąta Θ dla którego moc
optyczna spada do 5% wartości maksymalnej Pmax (rys. 1)
NA=sin Θ
dla n=1(powietrze)
Rysunek 1: Pomiar apertury numerycznej w dalekim polu [1]
W celu poprawnego określenia wartości NA pomiar rozkładu mocy optycznej należy przeprowadzić dla stabilnego rozkładu modów propagowanych w światłowodzie. Dla krótkich odcinków światłowodu (np. dla włókna szklanego światłowodu multimodowego - kilka metrów) na jego wyjściu poza
modami rdzeniowymi niskiego rzędu (dobrze propagowanymi) na granicy rdzeń-płaszcz obserwujemy
mody wyciekające oraz mody wysokiego rzędu. Analiza wykresu przedstawionego na rys. 2 [2] pozwala zauważyć, iż po przejściu sygnału przez pewną długość włókna, rozkład mocy stabilizuje się na
określonym stałym poziomie (jego wartość nie zmianie się wraz z dalszym zwiększaniem długości
włókna).
2
Rysunek 2: Zależność wartości apertury numerycznej w funkcji
długości badanego odcinka światłowodu
Analizując wykres przedstawiony na rysunku 2, zauważamy iż minimalna długość badanego odcinka światłowodu szklanego gwarantująca stabilny rozkład modów, a tym samym stałą wartość NA powinna być większa od 20 m.
Inną metodą pozwalającą na określenie NA, jest wyznaczenie różnicy pomiędzy współczynnikami załamania rdzenia i płaszcza. Wartość współczynnika załamania można otrzymać poprzez pomiar
profilu współczynnika załamania RIP (ang. Refractive index profile).
Literatura:
1. Intercorporation International Journal Of Optical Sensors; vol. 3 no. 1,1 pp 58; (1988)
2. Mauda M, Yamada S. - Appl. Optical Lett. 6,55; (1977)
3