Physik & Technik

Numerische Apertur und Akzeptanzwinkel eines Lichtleiters

Geben Sie die Brechzahlen von Kern, Mantel und Umgebung sowie Kerndurchmesser und Wellenlänge ein. Der Rechner zeigt, unter welchem Winkel Licht eingekoppelt werden kann und wie viele Moden die Faser führt.

Ihre Faser
Luft: 1,000; Wasser: 1,333.
Ergebnis

Warum Licht in der Faser bleibt

Ein Lichtwellenleiter führt Licht durch Totalreflexion. Der Kern hat eine etwas höhere Brechzahl als der umgebende Mantel. Trifft ein Strahl flach genug auf die Grenzfläche, wird er vollständig zurückgeworfen und läuft im Zickzack durch die Faser. Steiler einfallende Strahlen treten in den Mantel aus und gehen verloren. Daraus ergibt sich ein Grenzwinkel für die Einkopplung.

Die numerische Apertur beschreibt diese Grenze in einer Zahl. Sie ist die Wurzel aus der Differenz der quadrierten Brechzahlen von Kern und Mantel. Licht, das innerhalb des Akzeptanzkegels auf die Stirnfläche fällt, wird geführt. Je größer die Apertur, desto leichter lässt sich Licht etwa aus einer LED einkoppeln, desto mehr Moden laufen aber auch durch die Faser.

Aus Apertur, Kernradius und Wellenlänge folgt die normierte Frequenz, kurz V-Zahl. Unterhalb von 2,405 führt eine Stufenindexfaser nur einen Grundmodus, sie ist einmodig. Darüber wächst die Zahl der Moden etwa mit dem Quadrat der V-Zahl. Viele Moden bedeuten unterschiedliche Laufzeiten und damit Modendispersion, die die Bandbreite über lange Strecken begrenzt.

NA=n12−n22; θ=arcsin (NAn0); V=2 π⋅a⋅NAλ; Moden≈V22 (Stufe) bzw . V2⋅4 (Gradient)\text{NA} = \sqrt{n_{1}^{2} - n_{2}^{2}};\ \theta = \text{arcsin}\,\left(\frac{\text{NA}}{n_{0}}\right);\ V = \frac{2\,\pi \cdot a \cdot \text{NA}}{\lambda};\ \text{Moden} \approx \frac{V^{2}}{2\,\left(\text{Stufe}\right)\,\text{bzw}\,.\,V^{2} \cdot 4\,\left(\text{Gradient}\right)}

Beispiel: Kern 1,48, Mantel 1,46, Luft, Kerndurchmesser 50 µm, 850 nm, Stufenindex: numerische Apertur 0,2425, halber Akzeptanzwinkel 14,03°, voller Öffnungswinkel 28,07°, Grenzwinkel 80,57°, relative Brechzahldifferenz 1,342 Prozent, V-Zahl 44,81, rund 1.004 Moden.

Fasertypen und Datenblattwerte

Standard-Einmodenfasern für die Telekommunikation nach ITU-T G.652 haben einen Kern von rund 8 bis 9 Mikrometern und eine numerische Apertur um 0,13. Bei 1.310 und 1.550 Nanometern liegt ihre V-Zahl unter 2,405. Mehrmodenfasern der Klassen OM1 bis OM5 haben 50 oder 62,5 Mikrometer Kern, ein Gradientenprofil und Aperturen von etwa 0,20 bis 0,275.

Bei Gradientenindexfasern nimmt die Brechzahl vom Kern nach außen allmählich ab. Strahlen auf längeren Wegen laufen schneller, weil sie mehr Zeit in Bereichen niedrigerer Brechzahl verbringen. Das gleicht Laufzeitunterschiede weitgehend aus. Die Modenzahl beträgt beim Parabelprofil nur etwa die Hälfte einer gleich großen Stufenindexfaser. Für das Gradientenprofil setzen Sie die Brechzahl in der Kernmitte ein.

Die Formeln stammen aus der Standardliteratur der Lichtwellenleitertechnik, etwa Hecht, Optik, oder Voges und Petermann, Optische Kommunikationstechnik. Die Modenzahl ist eine Näherung für große V-Zahlen; bei kleinen Werten knapp oberhalb von 2,405 liefert sie nur eine grobe Größenordnung. Datenblattangaben zur Apertur werden oft im Fernfeld gemessen und können leicht von der Rechnung abweichen.

Der Grenzwinkel der Totalreflexion wird zur Flächennormalen der Kern-Mantel-Grenze gemessen. Bei geringem Brechzahlunterschied liegt er nahe 90 Grad, das Licht muss also sehr flach auf die Grenzfläche treffen. Deshalb sind enge Biegungen kritisch: Im Bogen trifft das Licht steiler auf, ein Teil verlässt den Kern, und es entstehen Biegeverluste.

Tipps und typische Fehler

Fasern verstehen.

  • NA: Aus Brechzahlen.
  • V-Zahl: Unter 2,405 einmodig.
  • Biegung: Radius beachten.
  • Datenblatt: Werte prüfen.

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Häufige Fragen

Was sagt die numerische Apertur aus?

Sie bestimmt den größten Winkel, unter dem Licht in die Faser eingekoppelt und geführt wird.

Ab wann ist eine Faser einmodig?

Wenn die V-Zahl unter 2,405 liegt, bei Stufenindexprofil.

Warum hat Glasfaser einen Mantel?

Nur mit einem Mantel niedrigerer Brechzahl entsteht an der Kerngrenze Totalreflexion.

Was ist der Unterschied zwischen Singlemode und Multimode?

Singlemode führt nur einen Modus und eignet sich für lange Strecken, Multimode führt viele.

Welche numerische Apertur hat eine OM-Faser?

Typisch etwa 0,2, bei 62,5-µm-Fasern etwa 0,275.

Auch gesucht als:
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