エンジニアが 1 mm プラスチック光ファイバー (POF) の仕様を検討すると、次の 1 つの値が繰り返し表示されます。開口数 (NA) は約 0.5。
一見すると、NA は、減衰、波長、またはコア直径と並んで記録される別のデータシート パラメータのように見えるかもしれません。実際には、これは産業用 POF リンクのいくつかの重要な特性を説明するのに役立ちます。なぜ LED が比較的簡単に光をファイバに結合できるのか、なぜ光インターフェースがより機械的な変動を許容できるのか、なぜ多くの伝播モードがサポートされているのか、なぜ結合が容易だからといって自動的に伝送距離が長くなるわけではないのか、ということです。
したがって、開口数は単なる光学式ではありません。これは、ファイバの物理構造とソース結合、コネクタの位置合わせ、モーダル動作、曲げ、全体的なリンク設計を結び付けるエンジニアリング パラメータです。
開口数 (NA) は、光ファイバーの角度発射ウィンドウを定量化します。空気から入射する光の場合、導波条件を満たしながら入射光線がファイバー軸からどれだけ逸脱できるかを示します。 0.5 の NA は、約 30° の半角、またはほぼ 60° の完全受容円錐に対応します。
従来のステップインデックスファイバの場合、開口数は次のように表すことができます。
NA = n₀ sin θₐ
どこn₀は周囲の媒質の屈折率であり、θₐは許容半角です。
空気中から入ってくる光に対して、n₀は約 1 であるため、次のようになります。
NA ≈ sinθₐ
NA = 0.5の場合:
θₐ ≈ sin⁻¹(0.5) ≈ 30°
この角度は、数値を解釈するための実用的な方法を提供します。エンジニアは、ファイバーが単に「NA 0.5」であると言うのではなく、ファイバー軸の周りの比較的広い角度領域にわたって導波光を受け入れると考えることができます。
NA 0.5 およびプラスチック光ファイバー受容コーン
受光角は 3 次元を形成します。アクセプタンスコーンファイバー入力で。
NA が小さいファイバーの受光円錐はより狭いため、入射光ビームはファイバー軸とより厳密に位置合わせされた状態を維持する必要があります。
NA が大きいファイバーは、より広い範囲の発射角度にわたって光を受け入れます。
これは、実際の産業リンクにおいて特に重要です。許容角度が広いため、光源とファイバー間の高精度な角度位置決めの必要性が軽減されます。
したがって、NA は部分的には角度位置合わせ公差パラメータ。
受光角は、ファイバー自体の光学構造によって決まります。
ステップインデックスファイバーでは、コアの屈折率が周囲のクラッドよりも高くなります。適切な条件下では、この違いにより光がコア内に閉じ込められたままになります。
単純化されたステップインデックス構造の場合:
NA ≈ √(ncore² − ncladding²)
一般に、屈折率の差が大きいほど、開口数も大きくなります。
従来の工業用ステップインデックス POF は通常、PMMA ベースのコアと低屈折率ポリマー クラッドを組み合わせています。この比較的強い屈折率コントラストにより、多くの 1 mm POF 設計では NA が 0.5 程度が実用的になります。
コアとクラッドの屈折率が POF 開口数を作成する方法
したがって、値は任意のデータシートのターゲットではなく、ファイバーの物理的な構造に根ざしています。
0.5 という数字に普遍性はありません。
すべてのプラスチック光ファイバーが同じ NA を持っているわけではないため、0.5 をすべての光学システムにとって理想的な値として扱うべきではありません。
代わりに、約 0.5 の NA が、従来の 1 mm ステップインデックス POF のより広範なエンジニアリング アーキテクチャに適合します。
これらのリンクは通常、以下を組み合わせます。
比較的大きなファイバーコア。
高度なマルチモード伝播。
LEDなどの可視光源。
機械的に単純なコネクタ システム。
短距離産業用通信。
ワイドアクセプタンスコーンはこの組み合わせでうまく機能します。
トランスミッタは非常に狭い角度範囲に光を注入する必要がなく、光インターフェイスは、はるかに小さいコアや狭い角度許容範囲を中心に設計されたシステムよりも大きな変動を許容できます。
したがって、一般的な NA 値は、エンジニアリングのトレードオフ。
シンプルな結合と設置をサポートしますが、帯域幅と距離がより要求されるようになった場合に考慮する必要がある強力なマルチモード動作にも貢献します。
光源とファイバーの関係は、開口数が重要となる最も実際的な理由の 1 つです。
LED は通常、単一の狭く高度に平行なビームを生成するのではなく、比較的広い範囲の角度にわたって光を放射します。
ファイバーが狭い角度範囲のみを受け入れる場合、その放射のより小さな部分が有用な誘導光として入る可能性があります。
NA が高いファイバーは、より広い角度の発射ウィンドウを提供します。
NAが高いとLEDとPOFの結合が容易になる理由
で発表された研究センサーとセンサー システムのジャーナルNA 0.5 の標準 1 mm POF への LED 結合を分析しました。これは、ファイバーの受光角度が、導波光に結合できる LED の角度放射の部分をどのように制限するかを示しました。
同じ LED が、異なる開口数を持つ 2 本のファイバーの前に配置されていると考えてください。
低 NA のファイバは、比較的狭い円錐内の光線のみを受け入れます。
NA が高いファイバーは、より広範囲の光線方向を受け入れます。
したがって、LED の角度出力の多くは、高 NA ファイバの使用可能な発射領域内に収まります。
短い産業用光リンクの場合、光をファイバーに送り込む前に送信機が厳密に制御された光ビームを生成する必要がないため、これは便利です。
NA が高くても、高い結合効率は保証されません。
実際に発射される光パワーは、次のような他のいくつかの変数にも依存します。
エミッタのサイズ。
LED放射パターン。
ファイバーコアの直径。
ソースとファイバーの間隔。
横方向のオフセット。
角度オフセット;
ファイバー端の準備。
界面反射。
送信機で使用されるレンズまたは光学構造。
したがって、同じ NA 0.5 POF に接続された 2 つの送信機は、異なる量の光パワーを発信できます。
NA は、許容される角度範囲を定義します。完全な結合結果は決定されません。
POF は機械的に寛容であるとよく考えられていますが、開口数は理由の一部にすぎません。
2 つの異なるタイプの位置合わせエラーを区別する必要があります。横方向のズレそして角度のずれ。
横方向の位置ずれは、2 つの光学素子が互いに対して横にずれたときに発生します。
1 mm クラスの POF コアは、比較的大きな物理的ターゲットを提供します。
適度な横方向の変位でも、送信領域と受信コアの間にかなりの重なりが残る場合があります。
これは主に、コアサイズ効果。
コアが大きいため、ソースの位置決め、2 本のファイバー端の位置合わせ、または単純な産業用コネクタの設計時に必要な機械的精度が低下します。
角度のズレが違います。
光源とファイバーは、それらの光軸が互いに対してわずかに傾いていても、正確に中心に配置されている可能性があります。
ここで、開口数がより重要になります。
高NAのPOFは、比較的広い角錐にわたって光を受け入れるため、多少の角度偏差があっても、入射光が許容可能な発射範囲内に残る可能性があります。
したがって、従来の 1 mm POF の実際の取り付け公差は、次の 2 つの特性が連携して得られます。
大きなコア径により空間許容度が向上します。
高い開口数により角度許容差が得られます。
大きなコアと高い NA: 横方向および角度のアライメント許容差
すべてのコネクタの公差を NA に帰すると、実際の光インターフェイスが過度に単純化されるため、この区別は重要です。
いいえ。
高 NA POF を照射しやすくするのと同じ特性が、光がファイバーに入った後の伝播方法にも影響します。
ラージコアのステップインデックス POF は強力なマルチモードです。光は、1 つの同一の経路をたどるのではなく、さまざまなモード条件下でその中を伝播します。
NA が大きいほど、より広い範囲の内部伝播角度にわたって光を導波できます。
一部の光パワーはファイバ軸の比較的近くを通過します。
他の光はより斜めの経路をたどり、より頻繁にコアとクラッドの境界と相互作用します。
モードの観点から言えば、ファイバーは多数の伝播モードをサポートし、励起することができます。
これにより、送信機が 1 つの狭く制御されたモードを励起する必要がないため、光学的発射が比較的寛容になります。
ただし、同じモード ダイバーシティは信号のタイミングに影響します。
異なるモードが異なる通過時間でファイバ内を伝播する可能性があります。
短い光パルスが多くのモードを励起する場合、それらのモードは同時に受信機に到達しない可能性があります。したがって、受信パルスは送信パルスよりも幅が広くなります。
高 NA のトレードオフ: より多くのモードが受け入れられ、より多くのモード分散が得られる
この効果は次のように知られていますモード分散。
のレビューセンサー伝播側からの同じ工学的トレードオフを特定します。許容範囲が広いため、光発射の制限が緩和されますが、より広範なモード人口が送信に参加できるようになります。結果として生じるモーダル輸送時間の違いにより、長距離にわたって利用可能な帯域幅が制限される可能性があります。
これが、NA が大きいほど光学性能が優れていると自動的に解釈されるべきではない理由です。
NA が高くなると、結合の利便性と角度許容差が向上すると同時に、マルチモード分散の重要性が高まります。
正しい NA は、システム全体の優先順位によって異なります。
もう 1 つのよくある間違いは、開口数を伝送距離の直接的な指標として扱うことです。
単純な仮定は次のようになります。
NAが高い → 結合光が多い → リンクが長い
最初の関係は、適切な起動条件下で役立ちます。
2 番目は自動的には続きません。
比較的高い NA は、より強力な光の閉じ込めに寄与し、一部のマクロベンド条件に対する感度を低下させる可能性があります。
ただし、曲げ性能はNAだけで決まるわけではありません。
ファイバーの構造、モード分布、ケーブルの構造、曲げ半径、設置形状、および曲げの強度がすべて重要です。
モードが異なれば、ファイバーが曲がったときの反応も異なります。
したがって、実際の設置では、指定された最小曲げ半径やケーブルの実際の曲げ損失性能を NA で置き換えるべきではありません。
通信距離は、まず受信機に十分な光パワーが届くかどうかで決まります。
実際の産業用光リンクでは、以下を考慮する必要があります。
送信機出力。
ソースとファイバーの結合。
コネクタの損失。
ファイバーの減衰。
曲げに関連した損失。
その他の設置損失。
受信機の感度。
NA を大きくすると、光学的な発射が容易になり、チェーンの開始が改善される可能性があります。
しかし、伝送距離が増加するにつれて、減衰により光パワーは減少し続けます。
ファイバーは、光を効率的に受け入れるだけでは長距離伝送媒体にはなりません。
受信光パワーは制限の 1 つにすぎません。
シグナルインテグリティは別の問題です。
十分なパワーが受信機に到達した場合でも、モード分散により光パルスが広がる可能性があります。
データ レートが高くなったり、距離が長くなったりすると、この広がりにより隣接するビットの区別が難しくなる可能性があります。
したがって、使用可能な最大通信距離は、光パワーの予算そして帯域幅と距離の動作リンクの。
| エンジニアリングの側面 | NAを大きくした場合の影響 | 実用的なメリット | 考えられるトレードオフ |
|---|---|---|---|
| 受光角度 | より広い角度範囲 | 光学式発射が容易に | より多くの伝播角度を許容可能 |
| LEDカップリング | より大きな角度公差 | 広範囲にわたる LED 発光の有効活用 | 実際の結合は依然としてソースのジオメトリに依存します |
| コネクタの位置合わせ | 角度誤差に対する耐性が向上 | 要求の少ない機械的位置合わせ | 横方向の公差は依然としてコアのサイズに大きく依存します |
| ガイド付きモード人口 | より多くのモードを興奮させることができます | 柔軟なマルチモード起動 | より大きなモード分散 |
| 曲げ挙動 | 特定の条件下で光閉じ込めを改善できる | 有用な取り付け公差 | 曲げ損失は依然として設計およびモードに依存します |
| 通信距離 | 発射条件を改善できる | 光パワーの予算を節約できる可能性がある | 最大リンク長を直接決定するものではありません |
これらの影響を区別する便利な方法は、2 つの異なる質問をすることです。
十分な光パワーが受信機に届きますか?
光信号は到着時に十分な損傷を受けていませんか?
NA はシステムの両方の部分に影響しますが、どちらかを独立して決定するわけではありません。
完全な産業用 POF リンクの開口数
エンジニアが見るとNA = 0.5POF 仕様では、有用な解釈は単に「このファイバは大きな開口数を持っている」というものではありません。
これは、ファイバーが比較的広い角度の発射ウィンドウを持ち、強力なマルチモード伝播をサポートするように設計されていることを意味します。
従来の 1 mm POF システムでは、その特性は広範囲放射光源と機械的に耐性のある結合でうまく機能します。
ただし、NA は常に他のリンク パラメーターと一緒に評価する必要があります。
コア直径は空間アライメント許容差に影響します。
送信機は、実際に発射される光パワーの量を決定します。
ファイバーの減衰により、所定の伝送距離を超えた後にどのくらいの電力が残るかが決まります。
コネクタの品質と曲げにより追加の損失が発生します。
受信機の感度は、必要な受信光パワーの量を定義します。
データ レートとモード分散は、パルスの広がりが制限される前に信号がどのくらい遠くまで伝わるかに影響します。
したがって、同じ公称 NA のファイバを使用する 2 つの光学システムは、まったく異なる動作をする可能性があります。
NA は、完全な通信リンクではなく、光インターフェイスの 1 つの重要な部分を表します。
約 0.5 の NA の重要性は、従来の産業用 POF の完全なアーキテクチャの一部として見るとより明確になります。
大きなコアにより、十分な物理結合領域が提供されます。
比較的高い NA により、広い角度の許容円錐が得られます。
これらの特性を組み合わせることで、コネクタと取り付けにおける有用な機械的公差を維持しながら、広放射 LED 光源をファイバーに結合することが実用的になります。
同じ設計で多くの伝播モードもサポートされます。
これにより光学的な発射が容易になりますが、伝送距離やデータ レートが増加するにつれてモード分散の考慮が必要になります。
これは、数字の背後にある工学的な意味です。
NA ≈ 0.5 が有用なのは、0.5 が本質的に光ファイバーの理想的な値であるためではなく、それが表す広い角度許容値が、従来の短距離産業用 POF の大型コア、LED 駆動、機械的に耐性のあるアーキテクチャに適合するためです。
開口数がこのように理解されると、それはデータシートからコピーされた値ではなくなり、完全な光リンクがどのように動作するかを説明するのに役立つパラメータになります。
空気から入射する光の場合、NA 0.5 は約 30° の受光半角、または約 60° の完全受光円錐に対応します。実際には、ファイバーはその軸の周りの比較的広い範囲の角度にわたって導波光を受け入れることができます。
従来の 1 mm ステップインデックス POF は、コアとクラッドの間の比較的大きな屈折率差を使用しており、これにより高い NA が得られます。短距離のラージコアアーキテクチャは、光結合が容易で角度調整が容易という利点もあります。特定のガラス繊維は非常に異なる NA 値を持つ可能性があるため、定義された繊維タイプ間で常に比較を行う必要があります。
一般的にはそうです。 NA が大きいほど、より広い受容円錐が作成され、より多くの幅広い LED 発光パターンがファイバーの使用可能な角度発射範囲内に収まるようになります。実際の結合効率は、ソースの形状、コアの直径、間隔、位置合わせ、端面の品質、および光インターフェースに依存します。
NAが高いと主に耐性が向上します。角度のずれ。 1 mm POF の大きなコアにより、多くの耐性が得られます。横方向のズレ。従来の POF は、この 2 つの特性が相互に作用するため、比較的簡単に接続できます。
直接ではありません。 NA が高くなると発射効率が向上するため、光パワーのバジェットが向上する可能性がありますが、最大リンク距離は減衰、コネクタ損失、曲げ、送信機の出力、受信機の感度、データ レート、モード分散にも依存します。
NA が大きいほど、伝播角度の範囲が広くなり、マルチモード ステップインデックス ファイバでより多くのモードを励起できます。モードが異なれば通過時間も異なる可能性があるため、受信した光パルスの幅が広がる可能性があります。このモード分散により、伝送距離またはデータ レートが増加するにつれて、使用可能な帯域幅が制限される可能性があります。
エンジニアが 1 mm プラスチック光ファイバー (POF) の仕様を検討すると、次の 1 つの値が繰り返し表示されます。開口数 (NA) は約 0.5。
一見すると、NA は、減衰、波長、またはコア直径と並んで記録される別のデータシート パラメータのように見えるかもしれません。実際には、これは産業用 POF リンクのいくつかの重要な特性を説明するのに役立ちます。なぜ LED が比較的簡単に光をファイバに結合できるのか、なぜ光インターフェースがより機械的な変動を許容できるのか、なぜ多くの伝播モードがサポートされているのか、なぜ結合が容易だからといって自動的に伝送距離が長くなるわけではないのか、ということです。
したがって、開口数は単なる光学式ではありません。これは、ファイバの物理構造とソース結合、コネクタの位置合わせ、モーダル動作、曲げ、全体的なリンク設計を結び付けるエンジニアリング パラメータです。
開口数 (NA) は、光ファイバーの角度発射ウィンドウを定量化します。空気から入射する光の場合、導波条件を満たしながら入射光線がファイバー軸からどれだけ逸脱できるかを示します。 0.5 の NA は、約 30° の半角、またはほぼ 60° の完全受容円錐に対応します。
従来のステップインデックスファイバの場合、開口数は次のように表すことができます。
NA = n₀ sin θₐ
どこn₀は周囲の媒質の屈折率であり、θₐは許容半角です。
空気中から入ってくる光に対して、n₀は約 1 であるため、次のようになります。
NA ≈ sinθₐ
NA = 0.5の場合:
θₐ ≈ sin⁻¹(0.5) ≈ 30°
この角度は、数値を解釈するための実用的な方法を提供します。エンジニアは、ファイバーが単に「NA 0.5」であると言うのではなく、ファイバー軸の周りの比較的広い角度領域にわたって導波光を受け入れると考えることができます。
NA 0.5 およびプラスチック光ファイバー受容コーン
受光角は 3 次元を形成します。アクセプタンスコーンファイバー入力で。
NA が小さいファイバーの受光円錐はより狭いため、入射光ビームはファイバー軸とより厳密に位置合わせされた状態を維持する必要があります。
NA が大きいファイバーは、より広い範囲の発射角度にわたって光を受け入れます。
これは、実際の産業リンクにおいて特に重要です。許容角度が広いため、光源とファイバー間の高精度な角度位置決めの必要性が軽減されます。
したがって、NA は部分的には角度位置合わせ公差パラメータ。
受光角は、ファイバー自体の光学構造によって決まります。
ステップインデックスファイバーでは、コアの屈折率が周囲のクラッドよりも高くなります。適切な条件下では、この違いにより光がコア内に閉じ込められたままになります。
単純化されたステップインデックス構造の場合:
NA ≈ √(ncore² − ncladding²)
一般に、屈折率の差が大きいほど、開口数も大きくなります。
従来の工業用ステップインデックス POF は通常、PMMA ベースのコアと低屈折率ポリマー クラッドを組み合わせています。この比較的強い屈折率コントラストにより、多くの 1 mm POF 設計では NA が 0.5 程度が実用的になります。
コアとクラッドの屈折率が POF 開口数を作成する方法
したがって、値は任意のデータシートのターゲットではなく、ファイバーの物理的な構造に根ざしています。
0.5 という数字に普遍性はありません。
すべてのプラスチック光ファイバーが同じ NA を持っているわけではないため、0.5 をすべての光学システムにとって理想的な値として扱うべきではありません。
代わりに、約 0.5 の NA が、従来の 1 mm ステップインデックス POF のより広範なエンジニアリング アーキテクチャに適合します。
これらのリンクは通常、以下を組み合わせます。
比較的大きなファイバーコア。
高度なマルチモード伝播。
LEDなどの可視光源。
機械的に単純なコネクタ システム。
短距離産業用通信。
ワイドアクセプタンスコーンはこの組み合わせでうまく機能します。
トランスミッタは非常に狭い角度範囲に光を注入する必要がなく、光インターフェイスは、はるかに小さいコアや狭い角度許容範囲を中心に設計されたシステムよりも大きな変動を許容できます。
したがって、一般的な NA 値は、エンジニアリングのトレードオフ。
シンプルな結合と設置をサポートしますが、帯域幅と距離がより要求されるようになった場合に考慮する必要がある強力なマルチモード動作にも貢献します。
光源とファイバーの関係は、開口数が重要となる最も実際的な理由の 1 つです。
LED は通常、単一の狭く高度に平行なビームを生成するのではなく、比較的広い範囲の角度にわたって光を放射します。
ファイバーが狭い角度範囲のみを受け入れる場合、その放射のより小さな部分が有用な誘導光として入る可能性があります。
NA が高いファイバーは、より広い角度の発射ウィンドウを提供します。
NAが高いとLEDとPOFの結合が容易になる理由
で発表された研究センサーとセンサー システムのジャーナルNA 0.5 の標準 1 mm POF への LED 結合を分析しました。これは、ファイバーの受光角度が、導波光に結合できる LED の角度放射の部分をどのように制限するかを示しました。
同じ LED が、異なる開口数を持つ 2 本のファイバーの前に配置されていると考えてください。
低 NA のファイバは、比較的狭い円錐内の光線のみを受け入れます。
NA が高いファイバーは、より広範囲の光線方向を受け入れます。
したがって、LED の角度出力の多くは、高 NA ファイバの使用可能な発射領域内に収まります。
短い産業用光リンクの場合、光をファイバーに送り込む前に送信機が厳密に制御された光ビームを生成する必要がないため、これは便利です。
NA が高くても、高い結合効率は保証されません。
実際に発射される光パワーは、次のような他のいくつかの変数にも依存します。
エミッタのサイズ。
LED放射パターン。
ファイバーコアの直径。
ソースとファイバーの間隔。
横方向のオフセット。
角度オフセット;
ファイバー端の準備。
界面反射。
送信機で使用されるレンズまたは光学構造。
したがって、同じ NA 0.5 POF に接続された 2 つの送信機は、異なる量の光パワーを発信できます。
NA は、許容される角度範囲を定義します。完全な結合結果は決定されません。
POF は機械的に寛容であるとよく考えられていますが、開口数は理由の一部にすぎません。
2 つの異なるタイプの位置合わせエラーを区別する必要があります。横方向のズレそして角度のずれ。
横方向の位置ずれは、2 つの光学素子が互いに対して横にずれたときに発生します。
1 mm クラスの POF コアは、比較的大きな物理的ターゲットを提供します。
適度な横方向の変位でも、送信領域と受信コアの間にかなりの重なりが残る場合があります。
これは主に、コアサイズ効果。
コアが大きいため、ソースの位置決め、2 本のファイバー端の位置合わせ、または単純な産業用コネクタの設計時に必要な機械的精度が低下します。
角度のズレが違います。
光源とファイバーは、それらの光軸が互いに対してわずかに傾いていても、正確に中心に配置されている可能性があります。
ここで、開口数がより重要になります。
高NAのPOFは、比較的広い角錐にわたって光を受け入れるため、多少の角度偏差があっても、入射光が許容可能な発射範囲内に残る可能性があります。
したがって、従来の 1 mm POF の実際の取り付け公差は、次の 2 つの特性が連携して得られます。
大きなコア径により空間許容度が向上します。
高い開口数により角度許容差が得られます。
大きなコアと高い NA: 横方向および角度のアライメント許容差
すべてのコネクタの公差を NA に帰すると、実際の光インターフェイスが過度に単純化されるため、この区別は重要です。
いいえ。
高 NA POF を照射しやすくするのと同じ特性が、光がファイバーに入った後の伝播方法にも影響します。
ラージコアのステップインデックス POF は強力なマルチモードです。光は、1 つの同一の経路をたどるのではなく、さまざまなモード条件下でその中を伝播します。
NA が大きいほど、より広い範囲の内部伝播角度にわたって光を導波できます。
一部の光パワーはファイバ軸の比較的近くを通過します。
他の光はより斜めの経路をたどり、より頻繁にコアとクラッドの境界と相互作用します。
モードの観点から言えば、ファイバーは多数の伝播モードをサポートし、励起することができます。
これにより、送信機が 1 つの狭く制御されたモードを励起する必要がないため、光学的発射が比較的寛容になります。
ただし、同じモード ダイバーシティは信号のタイミングに影響します。
異なるモードが異なる通過時間でファイバ内を伝播する可能性があります。
短い光パルスが多くのモードを励起する場合、それらのモードは同時に受信機に到達しない可能性があります。したがって、受信パルスは送信パルスよりも幅が広くなります。
高 NA のトレードオフ: より多くのモードが受け入れられ、より多くのモード分散が得られる
この効果は次のように知られていますモード分散。
のレビューセンサー伝播側からの同じ工学的トレードオフを特定します。許容範囲が広いため、光発射の制限が緩和されますが、より広範なモード人口が送信に参加できるようになります。結果として生じるモーダル輸送時間の違いにより、長距離にわたって利用可能な帯域幅が制限される可能性があります。
これが、NA が大きいほど光学性能が優れていると自動的に解釈されるべきではない理由です。
NA が高くなると、結合の利便性と角度許容差が向上すると同時に、マルチモード分散の重要性が高まります。
正しい NA は、システム全体の優先順位によって異なります。
もう 1 つのよくある間違いは、開口数を伝送距離の直接的な指標として扱うことです。
単純な仮定は次のようになります。
NAが高い → 結合光が多い → リンクが長い
最初の関係は、適切な起動条件下で役立ちます。
2 番目は自動的には続きません。
比較的高い NA は、より強力な光の閉じ込めに寄与し、一部のマクロベンド条件に対する感度を低下させる可能性があります。
ただし、曲げ性能はNAだけで決まるわけではありません。
ファイバーの構造、モード分布、ケーブルの構造、曲げ半径、設置形状、および曲げの強度がすべて重要です。
モードが異なれば、ファイバーが曲がったときの反応も異なります。
したがって、実際の設置では、指定された最小曲げ半径やケーブルの実際の曲げ損失性能を NA で置き換えるべきではありません。
通信距離は、まず受信機に十分な光パワーが届くかどうかで決まります。
実際の産業用光リンクでは、以下を考慮する必要があります。
送信機出力。
ソースとファイバーの結合。
コネクタの損失。
ファイバーの減衰。
曲げに関連した損失。
その他の設置損失。
受信機の感度。
NA を大きくすると、光学的な発射が容易になり、チェーンの開始が改善される可能性があります。
しかし、伝送距離が増加するにつれて、減衰により光パワーは減少し続けます。
ファイバーは、光を効率的に受け入れるだけでは長距離伝送媒体にはなりません。
受信光パワーは制限の 1 つにすぎません。
シグナルインテグリティは別の問題です。
十分なパワーが受信機に到達した場合でも、モード分散により光パルスが広がる可能性があります。
データ レートが高くなったり、距離が長くなったりすると、この広がりにより隣接するビットの区別が難しくなる可能性があります。
したがって、使用可能な最大通信距離は、光パワーの予算そして帯域幅と距離の動作リンクの。
| エンジニアリングの側面 | NAを大きくした場合の影響 | 実用的なメリット | 考えられるトレードオフ |
|---|---|---|---|
| 受光角度 | より広い角度範囲 | 光学式発射が容易に | より多くの伝播角度を許容可能 |
| LEDカップリング | より大きな角度公差 | 広範囲にわたる LED 発光の有効活用 | 実際の結合は依然としてソースのジオメトリに依存します |
| コネクタの位置合わせ | 角度誤差に対する耐性が向上 | 要求の少ない機械的位置合わせ | 横方向の公差は依然としてコアのサイズに大きく依存します |
| ガイド付きモード人口 | より多くのモードを興奮させることができます | 柔軟なマルチモード起動 | より大きなモード分散 |
| 曲げ挙動 | 特定の条件下で光閉じ込めを改善できる | 有用な取り付け公差 | 曲げ損失は依然として設計およびモードに依存します |
| 通信距離 | 発射条件を改善できる | 光パワーの予算を節約できる可能性がある | 最大リンク長を直接決定するものではありません |
これらの影響を区別する便利な方法は、2 つの異なる質問をすることです。
十分な光パワーが受信機に届きますか?
光信号は到着時に十分な損傷を受けていませんか?
NA はシステムの両方の部分に影響しますが、どちらかを独立して決定するわけではありません。
完全な産業用 POF リンクの開口数
エンジニアが見るとNA = 0.5POF 仕様では、有用な解釈は単に「このファイバは大きな開口数を持っている」というものではありません。
これは、ファイバーが比較的広い角度の発射ウィンドウを持ち、強力なマルチモード伝播をサポートするように設計されていることを意味します。
従来の 1 mm POF システムでは、その特性は広範囲放射光源と機械的に耐性のある結合でうまく機能します。
ただし、NA は常に他のリンク パラメーターと一緒に評価する必要があります。
コア直径は空間アライメント許容差に影響します。
送信機は、実際に発射される光パワーの量を決定します。
ファイバーの減衰により、所定の伝送距離を超えた後にどのくらいの電力が残るかが決まります。
コネクタの品質と曲げにより追加の損失が発生します。
受信機の感度は、必要な受信光パワーの量を定義します。
データ レートとモード分散は、パルスの広がりが制限される前に信号がどのくらい遠くまで伝わるかに影響します。
したがって、同じ公称 NA のファイバを使用する 2 つの光学システムは、まったく異なる動作をする可能性があります。
NA は、完全な通信リンクではなく、光インターフェイスの 1 つの重要な部分を表します。
約 0.5 の NA の重要性は、従来の産業用 POF の完全なアーキテクチャの一部として見るとより明確になります。
大きなコアにより、十分な物理結合領域が提供されます。
比較的高い NA により、広い角度の許容円錐が得られます。
これらの特性を組み合わせることで、コネクタと取り付けにおける有用な機械的公差を維持しながら、広放射 LED 光源をファイバーに結合することが実用的になります。
同じ設計で多くの伝播モードもサポートされます。
これにより光学的な発射が容易になりますが、伝送距離やデータ レートが増加するにつれてモード分散の考慮が必要になります。
これは、数字の背後にある工学的な意味です。
NA ≈ 0.5 が有用なのは、0.5 が本質的に光ファイバーの理想的な値であるためではなく、それが表す広い角度許容値が、従来の短距離産業用 POF の大型コア、LED 駆動、機械的に耐性のあるアーキテクチャに適合するためです。
開口数がこのように理解されると、それはデータシートからコピーされた値ではなくなり、完全な光リンクがどのように動作するかを説明するのに役立つパラメータになります。
空気から入射する光の場合、NA 0.5 は約 30° の受光半角、または約 60° の完全受光円錐に対応します。実際には、ファイバーはその軸の周りの比較的広い範囲の角度にわたって導波光を受け入れることができます。
従来の 1 mm ステップインデックス POF は、コアとクラッドの間の比較的大きな屈折率差を使用しており、これにより高い NA が得られます。短距離のラージコアアーキテクチャは、光結合が容易で角度調整が容易という利点もあります。特定のガラス繊維は非常に異なる NA 値を持つ可能性があるため、定義された繊維タイプ間で常に比較を行う必要があります。
一般的にはそうです。 NA が大きいほど、より広い受容円錐が作成され、より多くの幅広い LED 発光パターンがファイバーの使用可能な角度発射範囲内に収まるようになります。実際の結合効率は、ソースの形状、コアの直径、間隔、位置合わせ、端面の品質、および光インターフェースに依存します。
NAが高いと主に耐性が向上します。角度のずれ。 1 mm POF の大きなコアにより、多くの耐性が得られます。横方向のズレ。従来の POF は、この 2 つの特性が相互に作用するため、比較的簡単に接続できます。
直接ではありません。 NA が高くなると発射効率が向上するため、光パワーのバジェットが向上する可能性がありますが、最大リンク距離は減衰、コネクタ損失、曲げ、送信機の出力、受信機の感度、データ レート、モード分散にも依存します。
NA が大きいほど、伝播角度の範囲が広くなり、マルチモード ステップインデックス ファイバでより多くのモードを励起できます。モードが異なれば通過時間も異なる可能性があるため、受信した光パルスの幅が広がる可能性があります。このモード分散により、伝送距離またはデータ レートが増加するにつれて、使用可能な帯域幅が制限される可能性があります。
