Apertura numeryczna

Nie mniej ważnym parametrem włókna światłowodowego jest jego apertura numeryczna, będąca miarą maksymalnego dopuszczalnego odchylenia promienia laserowego od osi włókna światłowodowego, powstającego między osią włókna a promieniem świetlnym wchodzącym do wnętrza światłowodu wielomodowego. Największa wartość tego kąta – zwana kątem akceptacji – jest funkcją współczynników załamania światła: n₁ w materiale rdzenia i współczynnika n₂ w otaczającym go płaszczu światłowodu wielomodowego o skokowym profilu załamania światła. Wartość apertury numerycznej NA (Numerical Aperture) takiego włókna określa się według zależności:

NA = sin θ = (n₁² – n₂²)^½

Im większa apertura numeryczna (i kąt akceptacji światłowodu), tym większą część światła można wprowadzić do wnętrza światłowodu, a więc włókno wykazuje większą przydatność jako światłowód wielomodowy. Używanie pojęć kąta akceptacji i apertury numerycznej traci sens dla światłowodów jednomodowych, w których wiązka świetlna ma kształt bardzo wąskiego promienia i jest prowadzona centralnie, wzdłuż osi włókna.

Mody światłowodu

Zasadniczą cechą włókna są mody światłowodowe, określające rozkład pola i kształt wiązki świetlnej układającej się w światłowodzie. Podwyższona wartość współczynnika załamania światła w osi rdzenia w stosunku do otaczającego go płaszcza powoduje, że wiązka świetlna prowadzona w światłowodzie ma tendencję do utrzymywania się bezpośrednio w rdzeniu, a nawet blisko jego osi.

Zgodnie z prawami optyki w przekroju światłowodu zachodzą równocześnie dwa przeciwstawne zjawiska. Z jednej strony szybkość światła w płaszczu jest większa niż w rdzeniu, co powoduje ogniskowanie wiązki wzdłuż osi włókna. Z drugiej zaś – zjawisko dyfrakcji (ugięcia) wiązki prowadzonej w rdzeniu powoduje jej rozpraszanie. Jeśli rozkład natężenia w prowadzonej wiązce światła osiąga wartość, przy której oba efekty całkowicie się znoszą, to wiązka ma charakterystyczne cechy modu światłowodowego. Taka wiązka promieni świetlnych ma stały kształt i charakterystyczną dla siebie prędkość fazową wzdłuż osi.

We włóknie światłowodu skokowego (o skokowej zmianie współczynnika załamania światła) następuje całkowite wewnętrzne odbicie promienia świetlnego przy wielu dyskretnych kątach padania &##945;, dających geometrycznie różne, dyskretne rozkłady pola wiązki świetlnej, które obrazują poszczególne mody światła. Włókno optyczne prowadzące wiele modów świetlnych nazwano światłowodem wielomodowym. Każdy mod świetlny ma swoją indywidualną, charakterystyczną prędkość fazową, objawiającą się różną szybkością propagacji sygnału świetlnego wzdłuż osi włókna.

Włókno światłowodu gradientowego (o płynnej zmianie współczynnika załamania) również spełnia warunki optyczne do powstawania i prowadzenia wielu modów świetlnych wzdłuż swojej osi. Jednak współczynnik załamania światła, malejący w miarę oddalania się od osi rdzenia, powoduje, że promień świetlny jest transmitowany drogą podobną do przebiegu sinusoidalnego, przy czym mody niższych rzędów przebiegają w pobliżu osi rdzenia (z mniejszą szybkością), a mody wyższego rzędu mają do przebycia dłuższą drogę (przy większej szybkości). W rezultacie różnica prędkości propagacji między różnymi modami światłowodu gradientowego jest mniejsza niż w światłowodzie skokowym, co zapewnia przesyłanie szerszego pasma w światłowodzie gradientowym.

W celu uzyskania transmisji jednomodowej stosuje się włókno optyczne z rdzeniem o odpowiednio małej średnicy – porównywalnej z długością fali świetlnej – eliminując możliwość powstawania modów wyższego rzędu. W praktyce oznacza to, że w rdzeniach o średnicy 4–10 µm możliwa jest propagacja tylko jednego modu dla promieni świetlnych w drugim (1310 nm) i trzecim (1550 nm) oknie. Pozwala to na przesyłanie sygnałów optycznych w pasmie o szerokości powyżej 100 GHz, głównie z przeznaczeniem do łączności długodystansowej.