光ファイバチュートリアル-光ファイバ-通信ファイバ

基本用語

光の屈折

光がある透明な媒 その光線がその方向をどのくらい変化させるかは、媒体の屈折率に依存する。

屈折率

屈折率は真空中の光の速度です（c、c=299,792と略されます。458km/秒）を材料中の光速で割ったもの（略v）。 屈折率は、材料が光をどのくらい屈折させるかを測定します。 Nと略記される材料の屈折率は、

N=c/v

スネルの法則

1621年、オランダの物理学者Willebrord Snellは、ある透明な媒体から別の媒体に通過する光の異なる角度の関係を導出した。 光がある透明な材料から別の材料に通過するとき、それは次のように定義されているスネルの法則に従って曲がります:

n1sin(θ1)=n2sin(θ2)

ここ
n1の屈折率の中での光退
θ1の入射角の光ビームおよび通常の(通常は90°のインタフェースの間の二材）
n2の屈折率の材料は、光が入る
θ2の屈折角度の光線は、通常の

注意:

の場合θ1=0°とすると、線に垂直なインターフェース）の溶液をθ2=0°にかかわらず価値のn1、n2. つまり、表面に垂直な媒体に入る光線は決して曲がっていないことを意味します。

上記は、高密度（高いn）から密度の低い（低いn）物質への光に対しても有効であり、スネルの法則の対称性は、同じ光線経路が反対方向に適用可能であることを示している。

全内部反射

光線が界面を横切ると、屈折率の高い媒質になり、法線に向かって曲がります。 逆に、より高い屈折率媒体からより低い屈折率媒体への界面を横断する光は、法線から離れて曲がるであろう。

これは興味深い意味を持っています：臨界角θ cとして知られているある角度では、より高い屈折率媒体からより低い屈折率媒体に移動する光は90°

光がこの臨界角より大きい任意の角度で界面に当たった場合、光は第二の媒体に全く通過しません。 代わりに、そのすべてが最初の媒体、全内部反射として知られているプロセスに戻って反映されます。

臨界角はスネルの法則から計算することができ、屈折した光線の角度θ2に対して90°の角度を入れることができます。 これはφ1を与える:

以来

θ2=90°だから

sin(θ2)=1

その後

θ c=θ1=arcsin(n2/n1)

例えば、N1=1.5のガラスから空気中に光が出ようとすると（N2=1）、臨界角θ cはarcsin（1/1.5）、つまり41.8°です。

臨界角より大きい入射角については、屈折角が1より大きい正弦を持つことを示すため、スネルの法則は屈折角について解くことができません。 その場合、すべての光はインターフェースから完全に反射され、反射の法則に従います。

光ファイバの仕組み

光ファイバは完全に全内部反射の原理に基づいています。 これは次の図で説明されています。

光ファイバは、人間の髪の直径についての非常に純粋なガラスの長い、薄いストランドです。 光ファイバは、光ケーブルと呼ばれる束に配置され、長距離にわたって光信号を伝送するために使用されます。

光ファイバの構造

典型的な光ファイバは、コア、クラッド、バッファコーティングで構成されています。

芯は光を導く繊維の内側の部分です。 クラッディングは中心を完全に囲む。 コアの屈折率はクラッドの屈折率よりも高いので、臨界角より浅い角度でクラッドとの境界に当たるコア内の光は、全内部反射によってコアに反射

1550nm単一モード繊維および850nmまたは1300nm多重モード繊維を含んでいる共通の光学ガラス繊維のタイプのために、コア径は8~62.5µ mから及びます。 最も一般的なクラッディング直径は125μ mです。 緩衝コーティングの材料は、通常、アクリル、ナイロンなどの軟質または硬質プラスチックであり、直径は250μ mから900μ mの範囲である。 緩衝コーティングは繊維に機械保護および曲がる柔軟性を提供する。

光ファイバモード

光ファイバモードとは何ですか？

光ファイバは、モードと呼ばれる異なるパターンで光波を導く。 モードは繊維を渡る光エネルギーの配分を記述します。 正確なパターンは、透過する光の波長と、コアを形成する屈折率の変化に依存する。 本質的に、屈折率の変化は、トンネルの壁が音が内部にどのようにエコーするかに影響を与えるように、光波が繊維を通過する方法を形作る境界条件を作

ラージコアステップインデックスファイバーを見てみることができます。 光線はある範囲の角度で繊維に入り、異なる角度の光線は、臨界角よりも大きな角度でコア-クラッド界面に当たる限り、すべて安定して繊維の長さを これらの光線は異なるモードです。

特定の光波長で複数のモードを持つファイバをマルチモードファイバと呼びます。 いくつかの繊維は、コアの中心に直線として移動する1つのモードのみを運ぶことができる非常に小さな直径のコアを有する。 これらの繊維は単一モード繊維である。 これは次の図に示されています。

光ファイバ指数プロファイル

指数プロファイルは、ファイバのコアとクラッド全体の屈折率分布です。 いくつかの光ファイバはステップ指数プロファイルを有し、コアは一つの均一に分布した指数を有し、クラッドはより低い均一に分布した指数を有する。 他の光ファイバは、屈折率がファイバ中心からの半径方向の距離の関数として徐々に変化する傾斜屈折率プロファイルを有する。 傾斜指数プロファイルには、べき乗則指数プロファイルと放物線指数プロファイルが含まれます。 次の図は、シングルモードとマルチモードファイバの一般的なタイプのインデックスプロファイルを示しています。

光ファイバの開口数(NA)

マルチモード光ファイバは、ファイバの受け入れコーンとして知られている特定のコーン内 この円錐の半角度は、受け入れ角度θ maxと呼ばれます。 ステップインデックスマルチモードファイバの場合、許容角度は屈折率によってのみ決定されます:

ここで、
nはファイバに入る前に走行している媒体光の屈折率
nfはファイバコアの屈折率
ncはクラッドの屈折率

繊維のモードの数を計算する方法か。

モードは数字によって特徴付けられることがあります。 シングルモードファイバは、番号0が割り当てられた最低次のモードのみを保持します。 マルチモードファイバには高次モードもあります。 ファイバ内で伝搬できるモードの数は、ファイバの開口数（または受容角）、およびそのコア径および光の波長に依存する。 ステップインデックスマルチモードファイバの場合、そのようなモードの数Nmは、

Dはコア径
λは動作波長
NAは開口数（または受け入れ角）

注：この式唯一のいくつかのモード。