광섬유는 중요한 광 도파관 구성 요소로서 통신, 분광학, 조명 및 센서 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 실용적인 구현에서 잠재력을 극대화하려면 작동 원리와 성능 최적화 기술을 이해하는 것이 필수적입니다.
광섬유는 전반사(TIR)를 사용하여 고체 또는 액체 구조 내에서 빛을 가두고 방향을 지정하여 도파관 역할을 합니다. 가장 널리 사용되는 섬유 유형인 스텝 인덱스 섬유는 클래딩으로 둘러싸인 더 높은 굴절률 코어로 구성됩니다. 빛이 임계각을 초과하는 각도로 코어-클래딩 경계면에 부딪히면 TIR이 발생하여 코어 내에 빛을 가둡니다.
수용각(θ acc )는 TIR에 대한 최대 입사각을 결정하며 스넬의 법칙을 사용하여 계산됩니다.
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
여기서 n core 및 n clad 는 각각 코어 및 클래딩 굴절률을 나타내고 n은 외부 매체의 굴절률을 나타냅니다. 제조업체는 일반적으로 수치 구경(NA)을 통해 빛 수집 용량을 특성화합니다.
NA = √(n core ² - n clad ²)
대형 코어 스텝 인덱스 다중 모드 섬유의 경우 이 공식은 정확한 NA 값을 제공합니다. 원거리장 빔 프로파일 측정(강도가 최대의 5%로 떨어지는 각도 식별)을 통한 실험적 결정은 대체 검증을 제공합니다.
섬유를 통과하는 각 잠재적 광선 경로는 유도 모드를 구성합니다. 섬유 기하학 및 재료 특성은 모드 수를 결정하며 단일 모드에서 수천 개의 모드까지 다양합니다. 정규화된 주파수(V-number)는 지원되는 모드를 추정합니다.
V = (2πa/λ) × NA
여기서 a는 코어 반경이고 λ는 자유 공간 파장입니다. 다중 모드 섬유는 V-값 >>1(예: 1.5µm에서 50µm/0.39NA 섬유의 경우 V≈40.8)을 나타내며 약 V²/2 모드를 지원합니다. 단일 모드 섬유는 더 작은 코어와 더 낮은 NA를 통해 V 감쇠 메커니즘: 흡수, 산란 및 굽힘 손실
| 특성 | 완화 전략 | 매크로 벤딩 |
|---|---|---|
| 임계 반경을 초과하는 물리적 곡률 | 제조업체에서 지정한 굽힘 반경 유지 | 마이크로 벤딩 |
| 코어-클래딩 인터페이스 결함 | 품질 제조 공정 | 결합 전략: 언더필 대 오버필 조건 |
| 실용적인 안전 수준 | CW 작동 | ~1 MW/cm² |
|---|---|---|
| ~250 kW/cm² | 10ns 펄스 | ~5 GW/cm² |
| ~1 GW/cm² | 고유한 손상 메커니즘 | 굽힘 유도: |
광섬유는 중요한 광 도파관 구성 요소로서 통신, 분광학, 조명 및 센서 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 실용적인 구현에서 잠재력을 극대화하려면 작동 원리와 성능 최적화 기술을 이해하는 것이 필수적입니다.
광섬유는 전반사(TIR)를 사용하여 고체 또는 액체 구조 내에서 빛을 가두고 방향을 지정하여 도파관 역할을 합니다. 가장 널리 사용되는 섬유 유형인 스텝 인덱스 섬유는 클래딩으로 둘러싸인 더 높은 굴절률 코어로 구성됩니다. 빛이 임계각을 초과하는 각도로 코어-클래딩 경계면에 부딪히면 TIR이 발생하여 코어 내에 빛을 가둡니다.
수용각(θ acc )는 TIR에 대한 최대 입사각을 결정하며 스넬의 법칙을 사용하여 계산됩니다.
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
여기서 n core 및 n clad 는 각각 코어 및 클래딩 굴절률을 나타내고 n은 외부 매체의 굴절률을 나타냅니다. 제조업체는 일반적으로 수치 구경(NA)을 통해 빛 수집 용량을 특성화합니다.
NA = √(n core ² - n clad ²)
대형 코어 스텝 인덱스 다중 모드 섬유의 경우 이 공식은 정확한 NA 값을 제공합니다. 원거리장 빔 프로파일 측정(강도가 최대의 5%로 떨어지는 각도 식별)을 통한 실험적 결정은 대체 검증을 제공합니다.
섬유를 통과하는 각 잠재적 광선 경로는 유도 모드를 구성합니다. 섬유 기하학 및 재료 특성은 모드 수를 결정하며 단일 모드에서 수천 개의 모드까지 다양합니다. 정규화된 주파수(V-number)는 지원되는 모드를 추정합니다.
V = (2πa/λ) × NA
여기서 a는 코어 반경이고 λ는 자유 공간 파장입니다. 다중 모드 섬유는 V-값 >>1(예: 1.5µm에서 50µm/0.39NA 섬유의 경우 V≈40.8)을 나타내며 약 V²/2 모드를 지원합니다. 단일 모드 섬유는 더 작은 코어와 더 낮은 NA를 통해 V 감쇠 메커니즘: 흡수, 산란 및 굽힘 손실
| 특성 | 완화 전략 | 매크로 벤딩 |
|---|---|---|
| 임계 반경을 초과하는 물리적 곡률 | 제조업체에서 지정한 굽힘 반경 유지 | 마이크로 벤딩 |
| 코어-클래딩 인터페이스 결함 | 품질 제조 공정 | 결합 전략: 언더필 대 오버필 조건 |
| 실용적인 안전 수준 | CW 작동 | ~1 MW/cm² |
|---|---|---|
| ~250 kW/cm² | 10ns 펄스 | ~5 GW/cm² |
| ~1 GW/cm² | 고유한 손상 메커니즘 | 굽힘 유도: |
