Wenn Ingenieure die Spezifikationen für 1 mm Plastikoptikfaser (POF) überprüfen, erscheint immer wieder ein Wert:numerische Öffnung oder NA von ungefähr 0.5.
Auf den ersten Blick mag NA wie ein weiterer Datenblattparameter erscheinen, der neben Dämpfung, Wellenlänge oder Kerndurchmesser aufgezeichnet werden kann.Es hilft, einige wichtige Merkmale der industriellen POF-Verbindungen zu erklären.: warum LEDs Licht relativ leicht in die Faser koppeln können, warum die optische Schnittstelle mehr mechanische Schwankungen tolerieren kann, warum viele Ausbreitungsmodi unterstützt werden,und warum eine einfache Kopplung nicht automatisch eine längere Übertragungsstrecke bedeutet.
Die numerische Blende ist daher nicht nur eine optische Formel, sondern ein technischer Parameter, der die physikalische Struktur der Faser mit der Quellkopplung, Verbindungsausrichtung, modalem Verhalten,Beugen, und allgemeines Linkdesign.
Was bedeutet numerische Blende in Plastikoptikfasern?
Die numerische Blende (NA) quantifiziert das Winkelstartfenster einer optischen Faser.Es zeigt an, wie weit ein eingehender Strahl von der Faserachse abweichen kann, während er immer noch die Führungsbedingungen erfülltEin NA von 0,5 entspricht einem Halbwinkel von etwa 30° oder ungefähr einem 60° vollen Aufnahmekegel.
Für eine herkömmliche Schrittindexfaser kann die numerische Blende wie folgt ausgedrückt werden:
NA = n0 sin θa
won0ist der Brechungsindex des umgebenden Mediums undθaist der Akzeptanzhalbwacht.
Für das Licht, das aus der Luft hereinkommt,n0ist ungefähr 1, also:
NA ≈ sin θa
Wenn NA = 0.5:
Der Wert der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung der Verringerung.
Dieser Winkel bietet einen praktischen Weg, die Zahl zu interpretieren.5, kann man sich vorstellen, dass es das geleitete Licht über eine relativ breite Winkelregion um die Faserachse akzeptiert.
NA 0,5 und der Kunststoffoptische Annahmekegel
Wie NA mit dem Akzeptanzwinkel zusammenhängt
Der Abnahmewinkel bildet eine dreidimensionaleAkzeptanzkegelan der Fasereingabe.
Eine Faser mit einem kleineren NA hat einen schmaleren Akzeptanzkegel, so dass der eingehende optische Strahl eng mit der Faserachse ausgerichtet bleiben muss.
Eine Faser mit einem größeren NA akzeptiert Licht über eine größere Bandbreite von Startwinkeln.
Dies ist besonders bei praktischen industriellen Verbindungen wichtig, da eine größere Winkelabnahme die Notwendigkeit einer hochpräzisen Winkelpositionierung zwischen Quelle und Faser verringert.
Die NA kann daher teilweise alsParameter für die Toleranz der Winkelrichtung.
Wie die Brechungsindizes von Kern und Verkleidung NA festlegen
Der Abnahmewinkel kommt von der optischen Struktur der Faser selbst.
Bei einer Schrittindexfaser hat der Kern einen höheren Brechungsindex als die umgebende Verkleidung.
Für eine vereinfachte Stufenindexstruktur:
NA ≈ √(ncore2 − ncladding2)
Eine größere Brechungsindexdifferenz erzeugt im Allgemeinen eine größere numerische Blende.
Der konventionelle industrielle Schrittindex-POF kombiniert typischerweise einen PMMA-basierten Kern mit einer Polymerbeschichtung mit niedrigerem Index.5 praktisch für viele 1 mm POF-Designs.
Wie Kern- und Verkleidungsbrechungsindizes POF-Nummeröffnung erzeugen
Der Wert beruht daher eher auf der physikalischen Konstruktion der Faser als auf einem beliebigen Datenschein.
Warum haben viele 1-mm-Step-Index-POFs einen NA um 0.5?
Es gibt nichts Universelles an der Zahl 0.5.
Nicht jede Kunststoffoptikfaser hat die gleiche NA, und 0,5 sollte nicht als idealer Wert für alle optischen Systeme angesehen werden.
Stattdessen passt ein NA um 0,5 zur breiteren Engineering-Architektur des konventionellen 1 mm-Schrittindex-POF.
Diese Verknüpfungen kombinieren üblicherweise:
-
ein relativ großer Faserkern;
-
hochmodische Vermehrung;
-
sichtbare Lichtquellen wie LEDs;
-
mechanisch einfache Verbindungssysteme;
-
Industriekommunikation auf kurze Strecken.
Ein breiter Akzeptanzkegel passt gut zu dieser Kombination.
Der Sender muss kein Licht in einen sehr engen Winkelbereich injizieren.und die optische Schnittstelle kann mehr Schwankungen tolerieren als Systeme, die um viel kleinere Kerne oder engere Winkelakzeptanz entworfen wurden.
Der gemeinsame NA-Wert ist daher am besten als Teil einerTechnische Kompromisse.
Es unterstützt einfache Kopplung und Installation, trägt aber auch zum stark multimodischen Verhalten bei, das berücksichtigt werden muss, wenn Bandbreite und Entfernung anspruchsvoller werden.
Wie verbessert High NA die LED-POF-Kopplung?
Die Beziehung zwischen der Lichtquelle und der Faser ist einer der praktischsten Gründe, warum die numerische Blende wichtig ist.
LEDs geben im Allgemeinen Licht über einen relativ breiten Winkelbereich aus, anstatt einen einzigen schmalen, stark kollimierten Strahl zu erzeugen.
Wenn die Faser nur einen engen Winkelbereich akzeptiert, kann ein kleiner Teil dieser Emission als nützliches geleitetes Licht eingehen.
Eine höhere NA-Faser bietet ein breiteres Winkelstartfenster.
Warum eine höhere NA die LED-POF-Kopplung erleichtert
Eine Studie, die in derZeitschrift für Sensoren und Sensorsystemeanalysierte LED-Kopplung zu einem Standard-POF von 1 mm mit einem NA von 0.5Es zeigte, wie der Aufnahmegewinkel der Faser den Anteil der Winkelemission einer LED begrenzt, der in geleitetes Licht gekoppelt werden kann.
Ein breiterer Akzeptanzkegel kann mehr LED-Strahlung aufnehmen
Betrachten wir die gleiche LED, die vor zwei Fasern mit unterschiedlichen numerischen Öffnungen platziert ist.
Die unteren NA-Fasern akzeptieren nur Strahlen innerhalb eines relativ schmalen Kegel.
Die hohe NA-Faser akzeptiert eine größere Bandbreite von Strahlrichtungen.
Mehr der Winkelleistung der LED kann daher in den nutzbaren Startbereich der höheren NA-Faser fallen.
Für kurze industrielle optische Verbindungen ist dies nützlich, da der Sender keinen streng kontrollierten optischen Strahl erzeugen muss, bevor Licht in die Faser geschickt werden kann.
Warum NA allein die Kopplungswirksamkeit nicht bestimmt
Eine höhere NA garantiert keine hohe Kupplungswirksamkeit.
Die tatsächliche optische Leistung hängt auch von mehreren anderen Variablen ab, darunter:
-
Größe des Emittors;
-
LED-Strahlungsmuster;
-
Durchmesser des Faserkerns;
-
Abstand zwischen Quelle und Faser;
-
seitlicher Versatz;
-
Winkelverschiebung;
-
Zubereitung aus Faserenden;
-
Schnittstellenreflexionen;
-
alle in dem Sender verwendeten Linsen oder optischen Strukturen.
Zwei mit demselben NA 0,5 POF verbundene Sender können daher unterschiedliche Mengen an optischer Leistung auslösen.
NA definiert den zulässigen Winkelbereich, bestimmt aber nicht das vollständige Kupplungsergebnis.
Warum ist 1 mm POF besser für eine Fehlausrichtung der Steckverbinder?
POF wird oft als mechanisch verzeihend angesehen, aber die numerische Blende ist nur ein Teil des Grundes.
Es sind zwei verschiedene Arten von Ausrichtungsschaden zu unterscheiden:Seitliche FehlausrichtungundWinkelfehlstellung.
Großer Kerndurchmesser hilft bei der Seitenverschiebung
Eine seitliche Fehlausrichtung tritt auf, wenn zwei optische Elemente gegenüber einander seitwärts verschoben werden.
Ein POF-Kern der Klasse 1 mm stellt ein relativ großes physisches Ziel dar.
Bei einer geringen seitlichen Verschiebung kann es immer noch erhebliche Überschneidungen zwischen dem Sendebereich und dem Empfangskern geben.
Dies ist in erster Linie einKerngrößenwirkung.
Der große Kern reduziert die mechanische Präzision, die bei der Positionierung einer Quelle, der Ausrichtung zweier Faserenden oder der Konstruktion eines einfachen industriellen Steckers erforderlich ist.
Hohe NA hilft bei Winkelfehlstellung
Die Winkelverzerrung ist anders.
Die Quelle und die Faser können richtig zentriert sein, während ihre optischen Achsen leicht gegenüber einander geneigt sind.
Hier wird die numerische Blende wichtiger.
Ein POF mit hoher NA akzeptiert Licht über einen relativ breiten Winkelkegel, so dass eine gewisse Winkelabweichung das eingehende Licht immer noch innerhalb des akzeptablen Startbereichs zurücklassen kann.
Die praktische Einbautoleranz der konventionellen 1 mm POF beruht daher auf zwei zusammenwirkenden Eigenschaften:
Großer Kerndurchmesser sorgt für räumliche Toleranz.
Eine hohe numerische Blende sorgt für eine Winkelverträglichkeit.
Großer Kern vs. hoher NA: Toleranz bei seitlicher und winkliger Ausrichtung
Diese Unterscheidung ist wichtig, da die Zuordnung aller Verbindungsverträglichkeiten zu NA die eigentliche optische Schnittstelle übermäßig vereinfacht.
Ist eine größere numerische Öffnung immer besser?
- Nein. Ich weiß nicht.
Die gleiche Eigenschaft, die hohe NA-POF leicht zu beleuchten macht, beeinflusst auch, wie Licht sich ausbreitet, nachdem es in die Faser gelangt ist.
Ein POF mit großem Kern ist stark multimodisch. Licht kann sich unter vielen verschiedenen modalen Bedingungen durch ihn ausbreiten, anstatt einem identischen Pfad zu folgen.
Höhere NA erlaubt mehr Ausbreitungswinkel und -modi
Eine größere NA erlaubt ein geführtes Licht über einen breiteren Bereich interner Ausbreitungswinkel.
Ein Teil der optischen Energie bewegt sich relativ nahe an der Faserachse.
Andere Lichter folgen schrägeren Pfaden und interagieren häufiger mit der Kern-Cladding-Grenze.
Modal gesehen kann die Faser eine große Anzahl von Verbreitungsarten unterstützen und anregen.
Dies macht den optischen Start relativ verzeihend, da der Sender nicht einen eng gesteuerten Modus anregen muss.
Die gleiche Modalitätenvielfalt wirkt sich jedoch auch auf die Signalzeit aus.
Mehr Modelle können die Modalverteilung erhöhen
Verschiedene Modi können sich mit unterschiedlichen Transitzeiten durch die Faser verbreiten.
Wenn ein kurzer optischer Impuls viele Modi anregt, erreichen diese Modi den Empfänger möglicherweise nicht gleichzeitig. Der empfangene Impuls wird daher breiter als der übertragene Impuls.
Der Abwechslung von hohem NA: Mehr akzeptierte Moden und mehr modale Dispersion
Dieser Effekt ist bekannt alsModaldispersion.
Eine Überprüfung inSensorenDies ist ein wichtiger Faktor für die Entwicklung einer neuen Technologie, die die Fähigkeit zur Verringerung der Schadstoffbelastung erhöht.Dies ermöglicht es jedoch auch einer breiteren Modalbevölkerung, an der Übertragung teilzunehmen.Die daraus resultierenden Unterschiede in der Transportzeit können die verfügbare Bandbreite über die Strecke begrenzen.
Deshalb sollte ein größerer NA nicht automatisch als bessere optische Leistung interpretiert werden.
Eine höhere NA kann die Kopplungsbequemlichkeit und die Winkelverträglichkeit verbessern und gleichzeitig die Bedeutung der Multimode-Dispersion erhöhen.
Die richtige NA hängt von den Prioritäten des gesamten Systems ab.
Wie wirkt sich NA auf Biegen, Verlust und Kommunikationsdistanz aus?
Ein weiterer häufiger Fehler besteht darin, die numerische Blende als direkten Indikator für die Übertragungsdistanz zu betrachten.
Eine einfache Annahme könnte sein:
höhere NA → mehr gekoppeltes Licht → längere Verbindung
Die erste Beziehung kann unter geeigneten Startbedingungen nützlich sein.
Die zweite folgt nicht automatisch.
NA beeinflusst das Biegeverhalten, definiert aber nicht den Biegeradius
Eine relativ hohe NA kann zu einer stärkeren optischen Einschränkung beitragen und die Empfindlichkeit gegenüber einigen Makrobindungsbedingungen verringern.
Die Biegeleistung wird jedoch nicht allein durch NA bestimmt.
Faserkonstruktion, Modusverteilung, Kabelstruktur, Biegeradius, Installationsgeometrie und die Schwere der Biegung sind alle wichtig.
Auch bei Verbiegung der Faser reagieren verschiedene Modi unterschiedlich.
Für die praktische Installation sollte NA daher niemals den angegebenen Mindestbiegungsradius oder die tatsächliche Biegeverlustleistung des Kabels ersetzen.
NA ist nur ein Teil des optischen Strombudgets
Die Kommunikationsdistanz hängt zunächst davon ab, ob der Empfänger ausreichend optische Leistung erhält.
Eine praktische industrielle optische Verbindung muss Folgendes berücksichtigen:
-
Ausgang des Senders;
-
die Verbindung von Quelle zu Faser;
-
Verbindungsverluste;
-
Faserdämpfung;
-
Verluste aufgrund von Biegen;
-
sonstige Verluste der Anlage;
-
Empfängerempfindlichkeit.
Ein größerer NA kann den Beginn dieser Kette verbessern, indem er den optischen Start erleichtert.
Aber die Dämpfung reduziert die optische Leistung weiter, wenn die Übertragungsdistanz zunimmt.
Eine Faser wird nicht zu einem Fernübertragungsmedium, nur weil sie Licht effizient aufnimmt.
Die Übertragungsdistanz hängt auch von der Modaldispersion ab
Die empfangene optische Leistung ist nur eine Einschränkung.
Die Signalintegrität ist eine andere.
Selbst wenn genügend Leistung den Empfänger erreicht, kann die modale Dispersion die optischen Impulse erweitern.
Bei höheren Datenraten oder längeren Entfernungen kann diese Vergrößerung benachbarte Bits schwieriger unterscheiden.
Die maximale nutzbare Kommunikationsdistanz hängt daher sowohl von derOptische Leistungsmittelund dieVerhalten der Bandbreite-Distanzvon der Verbindung.
| Technischer Aspekt |
Wirkung eines größeren NA |
Praktische Vorteile |
Möglicher Abwechslung |
| Aufnahmewinkel |
Weiterer Winkelbereich |
Einfacher optischer Start |
Mehr Ausbreitungswinkel sind zulässig |
| LED-Kopplung |
Größere Winkeltoleranz |
Bessere Nutzung der breiten LED-Emission |
Die tatsächliche Kopplung hängt immer noch von der Quellgeometrie ab |
| Ausrichtung der Verbindung |
Mehr Toleranz gegenüber Winkelfehlern |
Weniger anspruchsvolle mechanische Ausrichtung |
Die seitliche Toleranz hängt nach wie vor stark von der Kerngröße ab |
| Geführte Populationen |
Mehr Modi können aufgeregt werden |
Flexibler Multimode-Start |
Größere Modalverteilung |
| Verhalten beim Biegen |
Kann die optische Einschränkung unter bestimmten Bedingungen verbessern |
Nützliche Einbautoleranz |
Der Biegeverlust hängt weiterhin von der Konstruktion und dem Modus ab |
| Kommunikationsdistanz |
Kann die Startbedingungen verbessern |
Kann dem optischen Strombudget helfen |
Bestimmt nicht direkt die maximale Verbindungslänge |
Eine nützliche Möglichkeit, diese Effekte zu trennen, besteht darin, zwei verschiedene Fragen zu stellen:
Erreicht der Empfänger genügend optische Leistung?
Bleibt das optische Signal nach seiner Ankunft ausreichend intakt?
NA beeinflusst beide Teile des Systems, bestimmt aber nicht unabhängig voneinander.
Numerische Öffnung in der vollständigen industriellen POF-Verbindung
Was bedeutet NA = 0,5 bei der Auswahl einer industriellen POF-Verbindung?
Wenn ein Ingenieur siehtNA = 0.5in einer POF-Spezifikation ist die nützliche Interpretation nicht einfach diese Faser hat eine große numerische Öffnung.
Das bedeutet, dass die Faser ein relativ breites Winkelstartfenster hat und eine starke Multimode-Verbreitung unterstützt.
Bei herkömmlichen 1 mm POF-Systemen funktioniert diese Eigenschaft gut mit breit emittierenden optischen Quellen und mechanisch verträglicher Kopplung.
Aber NA sollte immer zusammen mit anderen Verbindungsparametern ausgewertet werden.
Der Kerndurchmesser beeinflusst die räumliche Ausrichtungstoleranz.
Der Sender bestimmt, wie viel optische Leistung tatsächlich ausgeschaltet wird.
Die Dämpfung der Faser bestimmt, wie viel Leistung nach einer bestimmten Übertragungsstrecke verbleibt.
Verbindungsqualität und Biegung führen zu zusätzlichen Verlusten.
Die Empfängerempfindlichkeit bestimmt, wie viel empfangene optische Leistung benötigt wird.
Die Datenrate und die modale Dispersion beeinflussen, wie weit das Signal reisen kann, bevor die Pulsvergrößerung einschränkend wird.
Zwei optische Systeme, die Fasern mit derselben Nenn-NA verwenden, können sich daher sehr unterschiedlich verhalten.
NA beschreibt einen wichtigen Teil der optischen Schnittstelle, nicht die gesamte Kommunikationsverbindung.
Die numerische Öffnung ist ein Systemparameter, nicht nur eine Datenblattnummer
Die Bedeutung einer NA um 0,5 wird deutlicher, wenn sie als Teil der kompletten Architektur der konventionellen industriellen POF betrachtet wird.
Ein großer Kern bietet eine großzügige physische Verbindung.
Eine relativ hohe NA liefert einen breiten Winkel-Aufnahmekegel.
Zusammen machen diese Eigenschaften es praktisch, breit emittierende LED-Quellen in die Faser zu koppeln und gleichzeitig eine nützliche mechanische Toleranz bei Steckverbänden und Installation aufrechtzuerhalten.
Das gleiche Design unterstützt auch viele Verbreitungsmodi.
Dies erleichtert den optischen Start, führt aber Modal-Dispersion-Bedenken mit zunehmender Übertragungsdistanz oder Datenrate ein.
Das ist die technische Bedeutung hinter der Zahl.
NA ≈ 0,5 ist nicht nützlich, weil 0,5 von Natur aus der ideale Wert für optische Faser ist, sondern weil die Breitwinkelakzeptanz, die sie darstellt, passt, um den großen Kern, LED-getrieben,mechanisch verträgliche Architektur konventioneller industrieller POF mit kurzer Reichweite.
Sobald die numerische Blende auf diese Weise verstanden wird, hört sie auf, ein Wert zu sein, der aus einem Datenblatt kopiert wurde, und wird zu einem Parameter, der dazu beiträgt, zu erklären, wie sich die komplette optische Verbindung verhält.
Häufig gestellte Fragen
Was bedeutet ein NA von 0,5 in der Kunststoffoptik?
Bei Licht, das aus der Luft eintritt, entspricht ein NA von 0,5 einem Akzeptanzhalbwinkel von etwa 30° oder einem vollen Akzeptanzkegel von etwa 60°.die Faser kann geleitetes Licht über einen relativ breiten Winkelbereich um ihre Achse annehmen.
Warum hat 1 mm POF in der Regel eine größere numerische Öffnung als viele Glasfasern?
Bei herkömmlichen POF mit einem Schrittindex von 1 mm wird ein relativ großer Bruchindexunterschied zwischen Kern und Verkleidung verwendet, wodurch ein hoher NA erzeugt wird.Großkern-Architektur profitiert auch von einfacher optischer Kopplung und entspannter Winkelrichtung. Spezifische Glasfasern können sehr unterschiedliche NA-Werte aufweisen, daher sollten immer Vergleiche zwischen definierten Fasertypen durchgeführt werden.
Erleichtert eine höhere numerische Blende die LED-Kopplung?
Ein größerer NA erzeugt einen breiteren Akzeptanzkegel, so dass mehr von einem breiten LED-Emissionsmuster in den nutzbaren Winkelstartbereich der Faser fallen kann.Die tatsächliche Kupplungswirksamkeit hängt immer noch von der Quellgeometrie ab, Kerndurchmesser, Abstand, Ausrichtung, Endgesichtsqualität und optische Schnittstelle.
Machen hohe NA POF-Anschlüsse leichter auszurichten?
Eine hohe NA verbessert vor allem die Toleranz gegenüberWinkelfehlstellungDer große Kern von 1 mm POF sorgt für einen großen Teil der Toleranz gegenüberSeitliche FehlausrichtungKonventionelle POF sind relativ einfach zu verbinden, da diese beiden Merkmale zusammenwirken.
Erhöht eine höhere numerische Blende die POF-Übertragungsdistanz?
Ein höherer NA kann die Starteffizienz verbessern und somit das optische Energiebudget unterstützen, aber die maximale Verbindungsdistanz hängt auch von Dämpfung, Verbindungsverlust, Biegung, Senderleistung,Empfängerempfindlichkeit, Datenrate und modale Dispersion.
Wie wirkt sich die numerische Blende auf die POF-Bandbreite und die modale Dispersion aus?
Eine größere NA erlaubt eine größere Ausbreitungsbreite und kann mehr Modi in einer Multimode-Schrittindexfaser anregen.Der empfangene optische Impuls kann sich verbreitern.Diese modale Dispersion kann die nutzbare Bandbreite mit zunehmender Übertragungsdistanz oder Datenrate einschränken.
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