光ファイバー入門

光ファイバーの中を伝わる光の伝わり方は、臨界角以下の反射角に対して全て許されるわけではない。光ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差、コアの太さなどの関係から、ある特定の角度の反射のみが反射を繰り返し伝わっていく。この特別の角度を光ファイバの伝搬モードといい、この角度が多数ある場合を多モード光ファイバー、ただ１つのみが許される場合を単一モード光ファイバーという。ここで、伝搬するモードは反射角度の小さい方を低次モード、大きい方を高次モードという。最大何個のモードまで伝搬できるのかは、臨界角以下に何個のモードが許されるかによって決まる。

光を伝送する芯線にガラスを用いた光ファイバーで、コア材に光の透過性に優れた光学ガラスを、コア材を覆うクラッド材に台風化性に優れたガラスが使われている。ガラス光ファイバーの中でも特に石英を使用しているものは石英光ファイバーと呼んでいる。プラスチック光ファイバーに比べ伝送損失が小さく、長距離を安定して光を伝えることができるが、価格は安い。柔軟性が低くすぐ折れてしまうため、取り扱いや配線自由度に難がある。芯線が細いことから接合時間に時間がかかる点も不利である。ガラス光ファイバーは通信事業者の基幹ネットワークなどに利用されることが多い。

光ファイバーは基本構造として、光の伝搬路となるコアと、光をコア内に閉じ込めるためのクラッドと呼ばれる部分との２層構造になっている。クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、屈折率の異なる境界面で生ずる全反射と呼ばれる光の性質により、光はクラッドの外に漏れることなくコア内を遠くまで伝搬することができるのである。コアに入射されたどんな光でも遠くまで伝搬できる訳ではなく、コア内に閉じ込められた光は、クラッドとの境界面で全反射を繰り返していき、このときに反射光どうしの干渉によってお互いに強め合う（位相が一致する）場合には遠くまで光が伝搬するが、それ以外の位相がズレる場合には遠くまで伝搬せずに途中で消滅してしまう。この位相が一致するか否かは、入射する光の角度によって決まる。