マルチモード光ファイバーの主要原理と性能限界

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

• OH⁻イオンなどの汚染物質は、1300nmと2.94µmに吸収ピークを作成します
• ドーパントエンジニアリングにより、カスタマイズされた透過ウィンドウが可能になります
• 散乱損失

• 製造または取り扱いからの不完全さは、外部散乱を増加させます
• 曲げ損失

• 低次モードを優先 曲げに対する感度の低下
• より高いコア電力密度
• オーバーフィル起動
• ビームがコアの寸法を超える

• より高い初期電力スループット
• 距離にわたる高速高モード減衰
• 損傷しきい値: インターフェースと固有の制限
• 空気/ガラスインターフェースの損傷

• 光退色: UV/短波長誘起減衰
• 高出力動作のベストプラクティス 設置前にすべてのファイバーインターフェースを検査し、清掃する

1. 性能を監視しながら、電力を徐々に増加させる
2. 特定のアプリケーションに適したファイバータイプを選択する
3. 適切なコイルとストレインリリーフ技術を実装する