光ファイバーと屈折率

質問

今、大学の教養物理で屈折率について勉強していますが、光ファイバーの応用例ところでわからないことがあったので教えてください。　
「光ファイバーは全反射が起こりにくいように工夫が
凝らしてある。」
【疑問】
全反射したほうが正確に遠くまで光が届くような気がするのですが？

回答No.8

Teleskope · ベストアンサー

>>　全反射したほうが正確に遠くまで光が届くような気がするのですが？ <<

　全反射するファイバも昔から市販実用されてるので、どちらが正しいという決め付けは無意味です。

　「全部反射して届ければ、正確では？」のイメージを改版してください。いま、真っ直ぐなファイバがあるとします。入射光が 中心軸に角度ゼロで入れば 直進して届きますが、角度が大きいほど 何度も反射します。反射は蛇行だから直進より走行距離が長い。結果、到着時間がバラバラなのです！　１着は直進光。
　送信側が細いパルスを入れても 受信側にはダラダラになって到着します。遅れた成分は次の到着パルスの邪魔です。ゆえに高速伝送ができない。

　そこで、
理科でやった水槽の反射と屈折の実験です。水面との角度が浅い光だけが反射して、角度が急だと水の中に…。　臨界角ですね。

　これを利用して「直進に近い光だけを通そう」と。屈折率の比を 水と空気よりずーっと小さくして、きわめて浅い角度以外は全部場外へ。残った光は（式で説明しないと難しいですが光の線ではなく波動的に）ファイバが曲がっていても、反射せずに曲がりに従って通ります。

　ただし 曲げが急すぎると直進光も全滅します。なので、機器の中や家庭など 激しく曲げられる可能性のある用途には無理です。そんな近距離用には「波動が目立つサイズよりずっと太く、光線がくっきり反射する、安価なプラスチック」のファイバが現在も使われてます。

　今後、上記の屈折率差と全く違う原理で、曲げれて、今のシングルモードよりずっと広帯域（短波長側に）で高速なファイバが出てきます。やがて今の話は過去形に。

http://www.ntt-tec.jp/technology/C244.html

http://www.ntt-tec.jp/technology/C244_zoom.html

http://internet.watch.impress.co.jp/cda/parts/image_for_link/3025-1548-2-1.html

http://www.ee.t.kanazawa-u.ac.jp/staffs/iiyama/research-fiber.html

http://www.hikari-trading.com/cryfib/cryfib.html

↓関連質問

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1079720

お礼

丁寧な説明有り難うございました。よくわかりました。また今度宜しくお願いします。お礼遅れてすみません。

回答No.9

Teleskope

理科実験のところ、光は（空中でなく）水中から水面を照らします。水面との角度が急な光は（水中でなく）空中に飛び出してしまいます。

お礼

有り難うございました。

回答No.7

info22

No.3です。回答を補足します。
No1さんの回答返信に書かれた抜粋で
>ダイヤモンドとは反対に、なるべく全反射が起こりにくい、つまり、臨界角が大きくなるように工夫を凝らした応用例が、レーザーを利用した光通信のファイバーである。

この表現は（シングルモードの光ファイバーでは）正しい（コアとクラッドの屈折率の差を少なくすること＝臨界角が大きくなる）ですが、質問者の質問の表現が

>「光ファイバーは全反射が起こりにくいように工夫が
凝らしてある。」

と異なる内容の質問になっていたため、回答者の皆さんの回答のようになってしまったのです。
質問者の質問で「全反射が起こりにくいように工夫が凝らしてある」のではなく、「光ファイバーに平行な方向に進む光だけを効率的に全反射させる工夫が凝らしてある」（光ファイバー自体は、ファイバーの長さ方向の進行する光だけを効率的に全反射させて利用します。）という表現なら問題がなかったですね。これは、余分な（不要な）全反射する光を伝送させないために、ファイバーの長さ方向からずれた光は全反射させないでコーティング（被服材）に吸収させて減衰させてしまうことを意味します。

参考URLの【技術講座（光ファイバー１）】３節をご覧ください。
現在光ファイバー通信の高速化で光ファイバーの主流は３タイプのうちのコアの細いシングルモード・ステップ・インデックスタイプになってきています。（マルチモードのタイプは短距離用で減衰と波形の崩れが大きくなります）
コアとクラッドの屈折率の差は１％以下（典型例：コア1.47、クラッド1.46）でコアとクラッドの境界での臨界角は大きくなっています。その臨海角より小さな入射角のレーザー光波コアからクラッドへと境界を通り抜けコーティングに吸収されます。臨界角より大きな境界への入射光（コアの長さ方向に近い角度で進む光）に対しては、全反射で進行します。

ダイヤモンドは屈折率が大きく（臨界角が小さく）ほとんどの光が臨界角以上で境界に入射するようにカットが施され、全反射下光がダイヤモンドの正面方向に効率よく反射されてきます。
一方、光ファイバー（主流のシングルモード）では、コアとクラッドの境界面に平行に近い入射角のレーザー光だけを使っているために、境界面と平行でない入射角のレーザー光は（臨界角が大きい＝屈折率の差を少なくして）全反射させないでクラッドに透過させコーティングに吸収させるような利用法を採用し、光パルスの波形の崩れを防いでいます。光ファイバーへのレーザー光を入射させる場合も、受け入れコーンを使用して、コアの長さ方向のレーザー光だけを効率的に入射させる工夫をしています。

参考URL：

http://www.kurejbc.com/technical/technical-3.htm

お礼

よくわかる説明有り難うございました。

回答No.6

nrb

光ファイバーは内部と外部の屈折率の違いを利用して光を屈折させる（反射させるわけでは無いです）
　（これが判って無い）反射をして光ファイバーの中を伝わっでは無いのですね

　さて、全反射を起こさすことを実際にやって見ましょう。
　途中で、光ファイバーを切れば、そこの地点で全反射が起こります
　この全反射するのを光のパルスを入れて帰ってくる時間を計れば、そこまでの距離が判る

　さて問題は光ファイバーを接続する再にきちんと接続すれば、０．１ｄB程度の損失（一部が反射する）ですみます
　接続する時に、いかにロス（反射が）が少なく出来るのが重要です
　そのためにコアなどの直径や材質などに工夫をしてます

　全反射したほうが正確に遠くまで光が届くような気がするのですが？

　全部反射して元の方向に帰るので、全部反射した先には光は進みません

　まずは、なぜ光ファイバーの中を光（レーダ）が伝わるのを勉強してくださいね

　もし全反射する構造なら、光ファイバーを曲げすぎると光が外へ飛び出すことは不可能になりますよ

　そう光ファイバーは曲げすぎると、屈曲しても光ファイバーの外に跳ぶ出してしまうのですね

お礼

馬鹿な私にもわかる説明です。有り難うございました。

回答No.5

Quattro99

> ダイヤモンドとは反対に、なるべく全反射が起こりにくい、つまり、臨界角が大きくなるように工夫を凝らした応用例が、レーザーを利用した光通信のファイバーである。

その文章からすると誤植ではないようですが、そうだとすると間違いなのではないかと思います。
下記にあるように、コアにはなるべく屈折率の高い物質、つまりダイヤモンドと同じ性質の物質を使っています。出来るだけ全反射が起きやすいように工夫していると思います。

参考URL：

http://www.optigate.jp/basic/

回答No.4

info22

>「光ファイバーは全反射が起こりにくいように工夫が
凝らしてある。」
間違いですね。クラッドと中心部のコアの２層構造になっていて、コアの方をレーザービームが通ります。コアの方がクラッド部分より屈折率が高くなっています。ファイバーにより、コアの屈折率が均一のものと、コア自体も中心部ほど連続的に屈折率を高くしたものがありますが、コアとクラッドの境界は全反射する構造になっています。

下記URLに光ファイバーの屈折率分布、参考URLに光ファイバーの構造が掲載されていますのでご覧になってください。

参考URL：

http://www.harmonet.co.jp/lan/hikari.html

回答No.2

la0811

光ファイバは、基本的には屈折率の異なる二重のガラスの層から出来ている、中心部のコアは屈折率が高く、外周部のクラッドは屈折率が低い。光はコアとクラッドの境界で全反射を繰り返しながら、コア内部に閉じ込められて伝搬する。（クラッド部に光は通らない）
　　　　　　　　　　　　　古河電気工業　資料より

回答No.3

la0811

光ファイバは、基本的には屈折率の異なる二重のガラスの層から出来ている、中心部のコアは屈折率が高く、外周部のクラッドは屈折率が低い。光はコアとクラッドの境界で全反射を繰り返しながら、コア内部に閉じ込められて伝搬する。（クラッド部に光は通らない）
　　　　　　　　　　　　　古河電気工業　資料より

回答No.1

Quattro99

光ファイバーは全反射を利用した伝搬だと思うのですが。
誤植ということはないですか？

補足

本文抜粋
ダイヤモンドとは反対に、なるべく全反射が起こりにくい、つまり、臨界角が大きくなるように工夫を凝らした応用例が、レーザーを利用した光通信のファイバーである。