de_fiber_optics_2010.pdf

Grundlagen
246
1. Lichtwellenleiter allgemein
1.2. Ausbreitung des Lichtes im Lichtwellenleiter
Das Grundprinzip der Übertragung im Lichtwellenleiter beruht auf
der Totalreflexion. Fällt ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen
einem optisch dichteren Medium mit dem Brechungsindex n1 und
einem optisch dünneren Medium mit dem Brechungsindex n2, so
wird er in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α gebrochen oder total
reflektiert.
sin α / sin β = n1 / n2
(α = Einfallwinkel, β = Ausfallwinkel, n1 = Brechzahl des optisch
dichteren Mediums, n2 = Brechzahl des optisch dünneren Mediums)
Totalreflexion im Stufenindexprofil – LWL
θ Grenz n 0
1.3. Numerische Apertur
Die numerische Apertur ist eine entscheidende Größe bei der Einkopplung
von Licht in den LWL. Sie wird bestimmt durch die Differenz
der Brechzahlen von Kern und Mantel.
Die numerische Apertur NA wird durch den Sinus des Grenzwinkels
θGrenz folgendermaßen bestimmt:
NA = sin θGrenz = √(n1 2 – n2 2 )
Typische Öffnungswinkel von kommerziellen Glasfasern
Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren
Medium wird der Strahl vom Lot weg gebrochen und ein mit
zunehmendem Einfallswinkel größer werdender Teil des Lichtes
an der Grenzfläche reflektiert. Wenn der Lichtstrahl immer flacher
auf die Grenzfläche fällt, nähert sich der gebrochene Strahl einem
Winkel von β = 90° gegen das Einfallslot. Bei noch flacherem Einfall
des Lichtstrahles geht die Brechung in eine Totalreflexion über. Man
nennt den Winkel, ab dem der Lichtstrahl vollständig an der Grenzfläche
reflektiert wird, den Grenzwinkel der Totalreflexion. Die Größe
des Grenzwinkels der Totalreflexion ist von der Brechzahldifferenz
zwischen optisch dichtem und optisch dünnem Medium abhängig.
α Grenz
Nur Lichtstrahlen, die unter einem bestimmten Winkelbereich
≤ θGrenz in die Faser eintreten, werden durch die Faser hindurch
geleitet.
Typische Werte für die NA liegen bei kommerziellen Fasern im Bereich
von 0,1 bis 0,5, was Öffnungswinkel zwischen 6 und 30° entspricht.
n2 n1 NA = 0,37 ≈ α/2 = 21,72°
NA = 0,29 ≈ α/2 = 16,86°
NA = 0,22 ≈ α/2 = 12,71°
NA = 0,20 ≈ α/2 = 11,54°
NA = 0,15 ≈ α/2 = 8,63°
NA = 0,10 ≈ α/2 = 5,74°
www.leoni-fiber-optics.com