光ファイバーは、重要な光導波路コンポーネントとして、電気通信、分光法、照明、センサーアプリケーションでますます利用されています。その動作原理と性能最適化技術を理解することは、実用的な実装における可能性を最大化するために不可欠です。
光ファイバーは、全反射（TIR）を利用して、固体または液体の構造内に光を閉じ込め、方向付けることで導波路として機能します。最も一般的なファイバータイプであるステップインデックスファイバーは、クラッディングに囲まれた屈折率の高いコアで構成されています。光が臨界角を超える角度でコアとクラッディングの界面に当たると、TIRが発生し、光がコア内に閉じ込められます。
受容角（θ acc ）は、TIRの最大入射角を決定し、スネルの法則を使用して計算されます。
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
ここで、n core とn clad はそれぞれコアとクラッディングの屈折率を表し、nは外部媒体の屈折率を表します。メーカーは通常、開口数（NA）を介して集光能力を特徴付けます。
NA = √(n core ² - n clad ²)
大口径コアのステップインデックスマルチモードファイバーの場合、この式は正確なNA値を提供します。遠視野ビームプロファイル測定（強度が最大値の5％に低下する角度を特定）による実験的決定は、代替検証を提供します。
ファイバーを通過する各潜在的な光路は、ガイドモードを構成します。ファイバーの形状と材料特性はモード数を決定し、シングルモードから数千のモードまであります。正規化周波数（V値）は、サポートされるモードを推定します。
V = (2πa/λ) × NA
ここで、aはコア半径、λは自由空間波長です。マルチモードファイバーはV値>>1（例：1.5εmで50µm/0.39NAファイバーの場合、V≈40.8）を示し、約V²/2モードをサポートします。シングルモードファイバーは、より小さなコアと低いNAを介してV 減衰メカニズム: 吸収、散乱、および曲げ損失
| 特性 | 緩和戦略 | マクロベンディング |
|---|---|---|
| 臨界半径を超える物理的な曲率 | メーカーが指定した曲げ半径を維持する | マイクロベンディング |
| コアとクラッディングの界面の不完全性 | 高品質の製造プロセス | 結合戦略: アンダーフィル対オーバーフィル条件 |
| 実用的な安全レベル | CW動作 | ~1 MW/cm² |
|---|---|---|
| ~250 kW/cm² | 10nsパルス | ~5 GW/cm² |
| ~1 GW/cm² | 固有の損傷メカニズム | 曲げ誘起: |
光ファイバーは、重要な光導波路コンポーネントとして、電気通信、分光法、照明、センサーアプリケーションでますます利用されています。その動作原理と性能最適化技術を理解することは、実用的な実装における可能性を最大化するために不可欠です。
光ファイバーは、全反射（TIR）を利用して、固体または液体の構造内に光を閉じ込め、方向付けることで導波路として機能します。最も一般的なファイバータイプであるステップインデックスファイバーは、クラッディングに囲まれた屈折率の高いコアで構成されています。光が臨界角を超える角度でコアとクラッディングの界面に当たると、TIRが発生し、光がコア内に閉じ込められます。
受容角（θ acc ）は、TIRの最大入射角を決定し、スネルの法則を使用して計算されます。
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
ここで、n core とn clad はそれぞれコアとクラッディングの屈折率を表し、nは外部媒体の屈折率を表します。メーカーは通常、開口数（NA）を介して集光能力を特徴付けます。
NA = √(n core ² - n clad ²)
大口径コアのステップインデックスマルチモードファイバーの場合、この式は正確なNA値を提供します。遠視野ビームプロファイル測定（強度が最大値の5％に低下する角度を特定）による実験的決定は、代替検証を提供します。
ファイバーを通過する各潜在的な光路は、ガイドモードを構成します。ファイバーの形状と材料特性はモード数を決定し、シングルモードから数千のモードまであります。正規化周波数（V値）は、サポートされるモードを推定します。
V = (2πa/λ) × NA
ここで、aはコア半径、λは自由空間波長です。マルチモードファイバーはV値>>1（例：1.5εmで50µm/0.39NAファイバーの場合、V≈40.8）を示し、約V²/2モードをサポートします。シングルモードファイバーは、より小さなコアと低いNAを介してV 減衰メカニズム: 吸収、散乱、および曲げ損失
| 特性 | 緩和戦略 | マクロベンディング |
|---|---|---|
| 臨界半径を超える物理的な曲率 | メーカーが指定した曲げ半径を維持する | マイクロベンディング |
| コアとクラッディングの界面の不完全性 | 高品質の製造プロセス | 結合戦略: アンダーフィル対オーバーフィル条件 |
| 実用的な安全レベル | CW動作 | ~1 MW/cm² |
|---|---|---|
| ~250 kW/cm² | 10nsパルス | ~5 GW/cm² |
| ~1 GW/cm² | 固有の損傷メカニズム | 曲げ誘起: |
