Quando gli ingegneri esaminano le specifiche per la fibra ottica di plastica da 1 mm (POF), un valore appare ripetutamente:apertura numerica, o NA, di circa 0.5.
A prima vista, NA può sembrare un altro parametro della scheda dati da registrare accanto all'attenuazione, alla lunghezza d'onda o al diametro del nucleo.aiuta a spiegare diverse caratteristiche importanti dei collegamenti POF industriali: perché i LED possono accoppiare la luce nella fibra relativamente facilmente, perché l'interfaccia ottica può tollerare più variazioni meccaniche, perché sono supportate molte modalità di propagazione,e perché un accoppiamento semplice non significa automaticamente una maggiore distanza di trasmissione.
L'apertura numerica non è quindi solo una formula ottica, ma un parametro ingegneristico che collega la struttura fisica della fibra con l'accoppiamento della fonte, l'allineamento dei connettori, il comportamento modale,piegatura, e la progettazione generale dei collegamenti.
Che cosa significa apertura numerica nella fibra ottica di plastica?
L'apertura numerica (NA) quantifica la finestra angolare di lancio di una fibra ottica.indica quanto un raggio in entrata può deviare dall'asse della fibra pur soddisfacendo le condizioni di guidaUn NA di 0,5 corrisponde a un semicolo di circa 30°, o approssimativamente a un cono di piena accettazione di 60°.
Per una fibra a indice di passo convenzionale, l'apertura numerica può essere espressa come:
NA = n0 sin θa
doven0è l'indice di rifrazione del mezzo circostante eθaè l'angolo di accettazione.
Per la luce che entra dall'aria,n0è approssimativamente 1, quindi:
NA ≈ sin θa
Se NA = 0.5:
θa ≈ sin−1(0,5) ≈ 30°
Questo angolo fornisce un modo pratico per interpretare il numero.5Gli ingegneri possono pensarlo come l'accettazione di luce guidata su una regione angolare relativamente ampia intorno all'asse della fibra.
NA 0,5 e il cono di accettazione della fibra ottica in plastica
Come la NA si relaziona con l'angolo di accettazione
L'angolo di accettazione forma un tri-dimensionalecono di accettazioneall'ingresso della fibra.
Una fibra con un NA più piccolo ha un cono di accettazione più stretto, quindi il raggio ottico in entrata deve rimanere più strettamente allineato con l'asse della fibra.
Una fibra con una NA maggiore accetta la luce su una gamma più ampia di angoli di lancio.
Un'accettazione angolare più ampia riduce la necessità di un posizionamento angolare altamente preciso tra la fonte e la fibra.
La NA può quindi essere considerata in parteparametro di tolleranza di allineamento angolare.
Come gli indici di rifrazione del nucleo e del rivestimento definiscono NA
L'angolo di accettazione deriva dalla struttura ottica della fibra stessa.
In una fibra a indice di passo, il nucleo ha un indice di rifrazione più elevato rispetto al rivestimento circostante.
Per una struttura semplificata dell'indice di passaggio:
NA ≈ √(ncore2 − ncladding2)
Una maggiore differenza di indice di rifrazione produce generalmente una maggiore apertura numerica.
Il POF industriale convenzionale a indice di passo combina in genere un nucleo a base di PMMA con rivestimento polimerico a indice inferiore.5 pratico per molti disegni POF da 1 mm.
Come l' indice di rifrazione del nucleo e del rivestimento crea l' apertura numerica POF
Il valore è quindi radicato nella costruzione fisica della fibra piuttosto che essere un obiettivo arbitrario della scheda dati.
Perché molti POF a indice di passo di 1 mm hanno un NA intorno a 0.5?
Non c'è nulla di universale nel numero 0.5.
Non tutte le fibre ottiche di plastica hanno la stessa NA e 0,5 non dovrebbe essere considerato un valore ideale per tutti i sistemi ottici.
Invece, un NA intorno a 0,5 si adatta all'architettura ingegneristica più ampia del POF convenzionale a indice di passo di 1 mm.
Questi collegamenti generalmente combinano:
-
un nucleo di fibre relativamente grande;
-
propagazione altamente multimodo;
-
fonti di luce visibile quali LED;
-
sistemi di connettori meccanicamente semplici;
-
comunicazioni industriali a breve distanza.
Un cono di ampia accettazione funziona bene con questa combinazione.
Il trasmettitore non ha bisogno di iniettare luce in un intervallo angolare molto stretto,e l'interfaccia ottica può tollerare una maggiore variazione rispetto ai sistemi progettati attorno a nuclei molto più piccoli o ad un'accettazione angolare più stretta.
Il valore comune di NA è quindi meglio inteso come parte di unCompromesso di ingegneria.
Supporta un semplice accoppiamento e installazione, ma contribuisce anche al comportamento fortemente multimodo che deve essere preso in considerazione quando la larghezza di banda e la distanza diventano più esigenti.
In che modo l'alta NA migliora l'accoppiamento LED-POF?
La relazione tra la sorgente luminosa e la fibra è uno dei motivi più pratici per cui l'apertura numerica è importante.
I LED generalmente emettono luce su una gamma relativamente ampia di angoli piuttosto che produrre un singolo raggio stretto e altamente collimato.
Se la fibra accetta solo un intervallo angolare ristretto, una parte minore di tale emissione può entrare come luce guidata utile.
Una fibra ad alta NA offre una finestra di lancio angolare più ampia.
Perché una NA più elevata rende più facile l'accoppiamento LED-POF
Uno studio pubblicato nelGiornale dei sensori e dei sistemi di sensoriaccoppiamento a LED analizzato in POF standard da 1 mm con NA pari a 0.5Ha mostrato come l'angolo di accettazione della fibra limiti la porzione dell'emissione angolare di un LED che può essere accoppiata in luce guidata.
Un cono di ampia accettazione può catturare più radiazioni LED
Considerate lo stesso LED posto davanti a due fibre con aperture numeriche diverse.
La fibra a NA inferiore accetta solo i raggi all'interno di un cono relativamente stretto.
La fibra ad alta NA accetta una gamma più ampia di direzioni dei raggi.
La maggior parte dell'uscita angolare del LED può quindi rientrare nella regione di lancio utilizzabile della fibra ad alta NA.
Per i collegamenti ottici industriali brevi, questo è utile perché il trasmettitore non ha bisogno di generare un fascio ottico strettamente controllato prima che la luce possa essere lanciata nella fibra.
Perché il solo NA non determina l'efficienza dell'accoppiamento
Un NA più elevato non garantisce un'elevata efficienza di accoppiamento.
La potenza ottica effettivamente lanciata dipende anche da diverse altre variabili, tra cui:
-
dimensione dell'emittente;
-
modello di radiazione LED;
-
diametro del nucleo della fibra;
-
spaziamento tra sorgente e fibra;
-
spostamento laterale;
-
spostamento angolare;
-
preparazione a base di fibre;
-
riflessi di interfaccia;
-
eventuali lenti o strutture ottiche utilizzate nel trasmettitore.
Due trasmettitori collegati alla stessa NA 0.5 POF possono quindi lanciare quantità diverse di potenza ottica.
NA definisce l'intervallo angolare consentito, ma non determina il risultato completo dell'accoppiamento.
Perché 1 mm POF è più tollerante di disallineamento del connettore?
POF è spesso considerato meccanicamente perdonante, ma l'apertura numerica è solo una parte della ragione.
Si devono distinguere due diversi tipi di errore di allineamento:disallineamento laterale- edisallineamento angolare.
Il grande diametro del nucleo aiuta a disallineare i lati
Il disallineamento laterale si verifica quando due elementi ottici sono spostati lateralmente rispetto l'uno all'altro.
Un nucleo POF di classe 1 mm fornisce un bersaglio fisico relativamente grande.
Un modesto spostamento laterale può comunque lasciare una sostanziale sovrapposizione tra l'area di trasmissione e il nucleo ricevente.
Si tratta principalmente di uneffetto dimensione del nucleo.
Il grande nucleo riduce la precisione meccanica necessaria per posizionare una sorgente, allineare due estremità di fibra o progettare un semplice connettore industriale.
Un'alta NA aiuta con il disallineamento angolare
Il disallineamento angolare e' diverso.
La fonte e la fibra possono essere centrate correttamente mentre i loro assi ottici sono leggermente inclinati l'uno rispetto all'altro.
Qui, l'apertura numerica diventa più importante.
Un POF ad alta NA accetta la luce su un cono angolare relativamente ampio, quindi una certa deviazione angolare può ancora lasciare la luce in entrata all'interno del range di lancio accettabile.
La tolleranza di installazione pratica di un POF convenzionale di 1 mm deriva quindi da due caratteristiche che lavorano insieme:
Il grande diametro del nucleo fornisce tolleranza spaziale.
L'apertura numerica elevata fornisce tolleranza angolare.
Large Core vs High NA: Tolleranza di allineamento laterale e angolare
Questa distinzione è importante perché attribuire tutte le tolleranze dei connettori a NA semplifica eccessivamente l'interfaccia ottica effettiva.
Un'apertura numerica più grande è sempre migliore?
- No, no, no, no.
La stessa proprietà che rende il POF ad alta NA facile da illuminare influenza anche il modo in cui la luce si propaga dopo essere entrata nella fibra.
Un POF a grande indice di passo è fortemente multimodo. La luce può propagarsi attraverso di esso in molte condizioni modali diverse piuttosto che seguire un percorso identico.
Una NA più elevata consente più angolazioni e modalità di propagazione
Un NA più grande consente la luce guidata su una gamma più ampia di angoli di propagazione interna.
Una parte della potenza ottica viaggia relativamente vicino all'asse della fibra.
Altre luci seguono percorsi più obliqui e interagiscono più frequentemente con il confine del rivestimento del nucleo.
In termini modali, la fibra può supportare ed eccitare una grande popolazione di modalità di propagazione.
Questo rende il lancio ottico relativamente tollerante perché il trasmettitore non ha bisogno di eccitare una modalità strettamente controllata.
Tuttavia, la stessa diversità modale influisce sulla sincronizzazione del segnale.
Più modi possono aumentare la dispersione modale
Diverse modalità possono propagarsi attraverso la fibra con tempi di transito diversi.
Quando un breve impulso ottico eccita molti modi, questi non possono raggiungere il ricevitore contemporaneamente.
Lo scambio di NA elevato: modalità più accettate e dispersione modale maggiore
Questo effetto è noto comedispersione modale.
Una revisione inSensoriun ampio intervallo di accettazione rende il lancio ottico meno restrittivo,ma consente anche a una popolazione modale più ampia di partecipare alla trasmissioneLe differenze risultanti nel tempo di transito modale possono limitare la larghezza di banda disponibile su lunghe distanze.
Per questo motivo un NA maggiore non deve essere automaticamente interpretato come una migliore prestazione ottica.
Una NA più elevata può migliorare la comodità dell'accoppiamento e la tolleranza angolare, aumentando al contempo l'importanza della dispersione multimodo.
La corretta NA dipende dalle priorità del sistema completo.
Come influenza la NA la flessione, la perdita e la distanza di comunicazione?
Un altro errore comune è quello di trattare l'apertura numerica come un indicatore diretto della distanza di trasmissione.
Una semplice ipotesi potrebbe essere:
più alta NA → più luce accoppiata → collegamento più lungo
La prima relazione può essere utile in condizioni di lancio adeguate.
Il secondo non segue automaticamente.
NA influenza il comportamento della curva ma non definisce il raggio di curva
Un NA relativamente elevato può contribuire a un più forte confinamento ottico e può ridurre la sensibilità a alcune condizioni di macrobend.
Tuttavia, le prestazioni di piegatura non sono determinate da NA da solo.
La costruzione della fibra, la distribuzione del modo, la struttura del cavo, il raggio di curva, la geometria dell'installazione e la gravità della curva sono tutti importanti.
Diverse modalità possono anche rispondere in modo diverso quando la fibra è piegata.
Per l'installazione pratica, il NA non dovrebbe quindi mai sostituire il raggio minimo di curvatura specificato o le prestazioni effettive di perdita di curvatura del cavo.
La NA è solo una parte del bilancio dell'energia ottica
La distanza di comunicazione dipende innanzitutto dal fatto che il ricevitore riceva una potenza ottica sufficiente.
Un collegamento ottico industriale pratico deve tener conto:
-
uscita del trasmettitore;
-
accoppiamento sorgente-fibra;
-
perdite dei connettori;
-
attenuazione delle fibre;
-
perdite legate alla curva;
-
altre perdite di installazione;
-
sensibilità del ricevitore.
Un NA più grande può migliorare l'inizio di tale catena facilitando il lancio ottico.
Ma l'attenuazione continua a ridurre la potenza ottica man mano che aumenta la distanza di trasmissione.
Una fibra non diventa un mezzo di trasmissione a lunga distanza semplicemente perché accetta la luce in modo efficiente.
La distanza di trasmissione dipende anche dalla dispersione modale
La potenza ottica ricevuta è solo una limitazione.
L'integrità del segnale è un'altra.
Anche quando una potenza sufficiente raggiunge il ricevitore, la dispersione modale può ampliare gli impulsi ottici.
A velocità di dati più elevate o a distanze più lunghe, questo allargamento può rendere più difficile distinguere i bit adiacenti.
La distanza massima di comunicazione utilizzabile dipende quindi sia dallabilancio di potenza otticae lacomportamento di larghezza di banda-distanzadel collegamento.
| Aspetto tecnico |
Effetto di una NA maggiore |
Benefici pratici |
Possibile scambio |
| Angolo di accettazione |
Ampio raggio angolare |
Lancio ottico più semplice |
Più angoli di propagazione possono essere accettati |
| Accoppiamento a LED |
Tolleranza angolare maggiore |
Migliore utilizzo delle ampie emissioni di LED |
L'accoppiamento effettivo dipende ancora dalla geometria della fonte |
| Allineamento dei connettori |
Più tollerante dell'errore angolare |
Allineamento meccanico meno impegnativo |
La tolleranza laterale dipende ancora fortemente dalla dimensione del nucleo |
| Popolazione in modalità guidata |
Più modalità possono essere eccitate |
Lancio multi-modo flessibile |
Maggiore dispersione modale |
| comportamento di piegatura |
Può migliorare il confinamento ottico in alcune condizioni |
Tolleranza utile di installazione |
La perdita di curvatura rimane dipendente dalla progettazione e dalla modalità |
| Distanza di comunicazione |
Può migliorare le condizioni di lancio |
Potrebbe aiutare il budget dell'energia ottica |
Non determina direttamente la lunghezza massima del collegamento |
Un modo utile per separare questi effetti è quello di porre due domande diverse:
La potenza ottica raggiunge abbastanza il ricevitore?
Il segnale ottico rimane sufficientemente intatto quando arriva?
La NA influenza entrambe le parti del sistema, ma non ne determina una indipendentemente dall'altra.
Apertura numerica nel collegamento POF industriale completo
Che cosa significa NA = 0,5 quando si seleziona un collegamento POF industriale?
Quando un ingegnere vedeNA = 0.5in una specifica POF, l'interpretazione utile non è semplicemente questa fibra ha una grande apertura numerica.
Significa che la fibra ha una finestra di lancio angolare relativamente ampia ed è progettata per supportare una forte propagazione multimode.
Nei sistemi POF convenzionali da 1 mm, tale caratteristica funziona bene con fonti ottiche a ampia emissione e accoppiamento meccanicamente tollerante.
Tuttavia, la NA deve sempre essere valutata insieme ad altri parametri di collegamento.
Il diametro del nucleo influenza la tolleranza di allineamento spaziale.
Il trasmettitore determina quanta potenza ottica viene effettivamente lanciata.
L'attenuazione della fibra determina quanta potenza rimane dopo una data distanza di trasmissione.
La qualità dei connettori e la flessione comportano perdite aggiuntive.
La sensibilità del ricevitore definisce la quantità di potenza ottica ricevuta necessaria.
La velocità dei dati e la dispersione modale influenzano la distanza che il segnale può percorrere prima che l'ampliamento dell'impulso diventi limitante.
Due sistemi ottici che utilizzano fibre con la stessa NA nominale possono quindi comportarsi in modo molto diverso.
NA descrive una parte importante dell'interfaccia ottica, non il collegamento di comunicazione completo.
L'apertura numerica è un parametro del sistema, non solo un numero di foglio dati
L'importanza di un NA intorno a 0,5 diventa più chiara se viene considerata come parte dell'architettura completa dei POF industriali convenzionali.
Un grande nucleo fornisce una generosa area di accoppiamento fisico.
Un NA relativamente elevato fornisce un cono di accettazione angolare ampio.
Insieme, queste caratteristiche rendono pratico accoppiare le sorgenti LED a ampia emissione nella fibra mantenendo al contempo una tolleranza meccanica utile nei connettori e nell'installazione.
Lo stesso design supporta anche molte modalità di propagazione.
Questo rende il lancio ottico più facile, ma introduce considerazioni di dispersione modale con l'aumento della distanza di trasmissione o della velocità dei dati.
Questo è il significato ingegneristico dietro il numero.
NA ≈ 0,5 è utile non perché 0,5 è intrinsecamente il valore ideale per la fibra ottica, ma perché l'accettazione angolare ampia che rappresenta si adatta al grande nucleo, LED-driven,architettura meccanicamente tollerante di POF industriali convenzionali a corto raggio.
Una volta che l'apertura numerica è compresa in questo modo, smette di essere un valore copiato da un foglio dati e diventa un parametro che aiuta a spiegare come si comporta il collegamento ottico completo.
Domande frequenti
Cosa significa un NA di 0,5 in fibra ottica di plastica?
Per la luce che entra dall'aria, un NA di 0,5 corrisponde a un semitango di accettazione di circa 30° o a un cono di accettazione totale di circa 60°.la fibra può accettare la luce guidata su una gamma relativamente ampia di angoli attorno al suo asse.
Perché 1 mm POF ha di solito un'apertura numerica più grande di molte fibre di vetro?
Il POF con indice di passo convenzionale di 1 mm utilizza una differenza di indice di rifrazione relativamente grande tra il suo nucleo e il rivestimento, che produce un NA elevato.L'architettura a grande nucleo beneficia anche di un facile accoppiamento ottico e di un allineamento angolare rilassatoLe fibre di vetro specifiche possono avere valori di NA molto diversi, quindi i confronti devono sempre essere effettuati tra tipi di fibra definiti.
Un'apertura numerica più elevata rende più facile l'accoppiamento dei LED?
Generalmente sì, un NA più grande crea un cono di accettazione più ampio, permettendo a un più ampio modello di emissione LED di rientrare nel range di lancio angolare utilizzabile della fibra.L'efficienza effettiva dell'accoppiamento dipende ancora dalla geometria della sorgente, diametro del nucleo, spaziatura, allineamento, qualità della faccia finale e interfaccia ottica.
Un'alta NA rende i connettori POF più facili da allineare?
Un' elevata NA migliora principalmente la tolleranza adisallineamento angolareIl grande nucleo di 1 mm POF fornisce gran parte della tolleranzadisallineamento lateraleIl POF convenzionale è relativamente facile da collegare perché queste due caratteristiche lavorano insieme.
Una maggiore apertura numerica aumenta la distanza di trasmissione POF?
Non direttamente, un NA più elevato può migliorare l'efficienza di lancio e quindi aiutare il budget di potenza ottica, ma la distanza massima di collegamento dipende anche dall'attenuazione, dalla perdita di connettori, dalla piegatura, dalla potenza del trasmettitore,sensibilità del ricevitore, velocità dei dati e dispersione modale.
In che modo l'apertura numerica influenza la larghezza di banda POF e la dispersione modale?
Una NA più grande consente una gamma più ampia di angoli di propagazione e può eccitare più modalità in una fibra a step-index multimodo.l'impulso ottico ricevuto può allargarsiQuesta dispersione modale può limitare la larghezza di banda utilizzabile con l'aumento della distanza di trasmissione o della velocità dei dati.
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