マルチモードの光ファイバの曲げ損失

質問

現在，光ファイバの研究をしているのですが，以下のことがわからず途方にくれています．
それは，マルチモードの光ファイバの曲げ損失を理論的に求めることなどできるのでしょうか？シングルモードの場合だと理論値があるようですが．．．入射光は半導体レーザまたはLED光を考えています．

それでは宜しくお願いします

回答No.6

spring_f · ベストアンサー

taro1155さんの知りたいことに直接のお答えになっているかわかりませんが・・・・・

パワーメータでの光強度測定は当然ですが、すべてのモードの光強度の総和になって表示されてています。
ただ、低次のモードほどコア内の閉じ込め効果が強いので光強度も大きいです。この様子は導波路理論に出てくる堺分布の図からも想像できるかと思います。

さて、ではいったいマルチモードファイバにはどのくらいのモードが立っているのか？これは使用する波長とファイバーの構造から規格化周波数で求めるしかないのですが、これはかなり厄介だと思います。私にはちょっと難物なのでその辺の説明は逃げさせてください。SIマルチモードファイバなら意外とわかりやすいですが、GIファイバの場合は実行屈折率の定義が複雑になるので・・・・

”このように各モードへの光パワー分布により曲げ損失も異なる”というのはまぁ、当然なんですが、低次モードほど界の閉じ込め効果が強いので曲げ損失にも強いということになります。逆に高次モードほど曲げに弱いです。ですから、ファイバを曲げれば高次モードから減衰するので高次モードに光パワーの分布が偏っていれば、わずかな曲げでも曲げ損失が大きいということになります。

それから、マルチモードファイバの内部の１モードだけ取り出すことは不可能です。ですから、各モードのそれぞれの光強度を測定することは不可能だと思います

ご質問の”全モードの損失を計算し光パワー分布を求めるというのは，”というのがどういうことを意味しているのかわかりませんが、全モード励振と定常モード励振という手法があるので、単純に同一ファイバでこれで測定したパワーメータの差をとれば、とりあえず、高次モードのパワーだけは推測できると思います。ただし不定在波を含んでいることモードの数が不明であることには変わりありません。
あと、シングルモードのカットオフ周波数を測定する場合曲げ損失法というのを使うのですが、この考え方をうまく使えばもしかしてマルチモードの各モードの光強度も推測できる可能性があると思います。

かなり中途半端な回答になってしまい申し訳ありません

回答No.5

spring_f

No.4の補足です

マルチモードファイバはモードのとりうるパターンが多数あることご存知だと思います。一般的にはＬＰモード、ＨＥモード、ハイブリッドモードと言っています。
ここで規定される（理論的に存在する）モードの間には多数の理論上存在しない（できない）モードがあります。これは、マルチモードファイバの中を伝播していく間に自然に減衰し消えていくモードです。理論上存在できるモードはファイバの中で定在波として存在してまして、逆に言えば自然減衰するモードは不定在波であるという意味になります。ただ実際のファイバー内では、不定在波は中途半端なモードだけにすぐに消滅してしまうものもあれば、だらだら減衰しながらいつまでも伝播するものも存在します。マルチモードファイバの厳密な測定を行う場合はモード励振器を使用し、不安定なモードと高次モードを強制的に減衰させるものを使用します。

ご質問の高次モードについては、ファイバの規格化周波数について調べられるとよいと思います。このあたりの話は大越先生の「光ファイバ」、「光ファイバ通信」をごらんになれば詳しく解説されています。光ファイバ理論の名著（別名赤本と読んでます）です。
曲げ損失をファイバ理論からいきなり求めるのは難しいので導波路理論から求めると簡易的ですが理解しやすいと思います。

お礼

何度も申し訳ありません．非常に懇切丁寧な解説で感謝しております．文献「光通信要覧」のP41には，Marcuseが導波モードをLP_νμモード（ν，μモード次数）で記述し，半径Rに曲げたとき損失２αの式が掲載されております．
それに加えて，”多モードファイバの場合は全モードについて損失２αを計算し，各モードのパワー配分から損失増を計算できる．このように各モードへの光パワー分布により曲げ損失も異なる．”と記載されております．厳密な測定の場合には，ご指摘のようにモード励振器を使用し、不安定なモードと高次モードを強制的に減衰させることはわかるのですが，具体的には，上記にかかれているような，全モードの損失を計算し光パワー分布を求めるというのは，どのような機材を用いて，行うのでしょうか（そもそも一つのモードだけを取り出すとはどのように行うですか．パワーメータなどは全体の積分値を表していると思うのですが）？参考図書をご存じでしたらご教授していただけませんか？
大変ご迷惑をおかけして申し訳ありませんが何卒宜しくお願いします

回答No.4

spring_f

どんなファイバを想定されているのかわからないですが、マルチモードファイバだと曲げ部分で高次モードから損失となります。
当然曲げ半径、曲部の個数により損失量が変わります

光の伝播理論から求められる、０次モードから高次モードについて定在波が存在できない入射角において損失が発生しますので、理論的にはそこから求めることができます。

ただ、マルチモードについては、不定在波が多数存在するんので理論的に曲げ損失を求めることはあまり意味がなく実験的に求めるのが一般的だとおもいます。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
＞ただ、マルチモードについては、不定在波が多数存在するんので

という意味がよくわかりませｎ。なぜマルチモードだと不定在波（進行波のことですか）が多数存在するのでしょうか？

また、マルチファイバで０次モードから高次モードのパワー分布は、実際にどのようにして得ることができるのでしょうか？たとえば５時モードという場合、どのような値として得られることになるのでしょうか（波長に対するパワースペクトルとして得られるのでしょうか）？
以上、素人だけに幼稚な質問があるかもしれませんがよろしくお願いします

回答No.3

angkor_h

安全な太いプラスチックファイバで確認してみては?
片端から多端へ可視光を通したとき、何も無ければ途中で光は漏れませんが、途中を(極端に)曲げるとそこの外側から光が漏れます。
それは素材構成が粗になり、乱反射するからでしょう。
光の多端への出力レベルと曲げ半径の関係、曲げ半径と
粗の度合いの関係から導けませんか?
それをプラスチックファイバとマルチモード光ファイバの直径に対応させれば…

回答No.2

nrb

追伸・・・・

入射光は半導体レーザまたはLED光を考えています

すいませんがLED光は使わないように
LED光もレーダ半導体の一種ですが
（一般にLED光は反射板がないためにレーザー光線が真っ直ぐでな無いので光ファーバーには向きません）

　実験には、光ファイバーの損失試験を行なうパルス試験機を使いましょう
　これなら距離（時間を換算したもの）も計れますので

　で・・どこの実験
　大手の光ファイバーの製造元では無いでしょう
　大学の実験なんですかね

回答No.1

nrb

答えられる人いないと思うよ・・・・

マルチモードの光ファイバの曲げ損失

簡単　ある角度以上曲げると光がそこから光ファイバーを突き抜けるので理論上は無限大

　通常光ファイバーの中を硝子の違いにより境界にて光が屈折する（以下屈折と表現）
　光ファイバが、真っ直ぐでも屈折して通って行きます
　曲がってても屈折して通って行きます

じゃ・・・確かに真っ直ぐより曲がっている居る方が屈折回数が多いのでしょうか・・・・・・
　真っ直ぐだと等間隔ですね
　曲がると短い所長い所が出てきます

　でも屈折回数って殆ど変わらないような気がします

　曲がってても真っ直ぐでもコアの中を通る距離に差が出るとは思えます

　気になるなら実験すれば良い
　パルス試験機でたとえば１０KM光ファイバを
　直線で計る　１０KM先で全反射しますね

　ぐるぐる丸めて計る１０KM先で全反射しますね
（実験を実際にするにはもっと距離がいる１ｋｍで０．２DBの損失とすると測定器の誤差とか考えるとかなり距離が居るような気が）

　ここで屈折回数をコアの中を通る実施の距離（差があれば、光ファイバの曲げ損失が発生している）
　パルス試験機で断線の位置の距離を測る
　（全反射の位置を測定する）

マルチモードの光ファイバの曲げ損失を理論的に求めることなどできるのでしょうか？

　結論を言うと（おいおい書くか・・・・）

　光ファイバーを曲げようが（許容曲げ半径内）曲げまいが計算するための値は変わらない

　じゃ・・・光ファイバの曲げ損失があるなら
　微々たるもので・・・・・・・・
　実際にあっても計算上には影響を与える範囲では無い