被覆材（光ファイバー）

光ファイバーのクラッドとは、屈折率の低い材料からなる1層または複数層が、屈折率の高いコア材料と密接に接触している構造のことである。

クラッドは、コアとクラッドの境界での全反射により、光をファイバーのコア内に閉じ込めます。 ^{[ 1 ]}クラッド内での光伝搬は、ほとんどのファイバーで通常抑制されます。しかし、一部のファイバーは、光がコアだけでなくクラッドも伝搬するクラッドモードをサポートできます。サポートされるモードの数に応じて、マルチモードファイバーとシングルモードファイバーと呼ばれます。^{[ 2 ]}クラッドを適用することでファイバーの伝送を改善する方法は、1953年にオランダの科学者ブラム・ファン・ヒールによって発見されました。^{[ 3 ]}

光ファイバーを介した伝送はクラッドを施すことで改善できるという事実は、1953年にファン・ヒールによって発見され、彼はそれを利用して光ファイバー束を介した画像伝送を実証した。^{[ 4 ]}初期のクラッド材料には、オイル、ワックス、ポリマーなどがあった。ミシガン大学のローレンス・E・カーティスは、1956年に最初のガラスクラッドを開発した。これは、屈折率の低いガラス管にガラス棒を挿入し、両者を融着させ、複合構造を光ファイバーに引き伸ばすことによって行われた。^{[ 4 ]}

クラッドモードとは、クラッドが周囲の媒質（空気または一次ポリマー外被）よりも高い屈折率を持つため、光ファイバーのクラッド内に閉じ込められるモードのことです。 ^{[ 5 ]}これらのモードは一般的に望ましくありません。現代のファイバーは、クラッドよりもわずかに高い屈折率を持つ一次ポリマー外被を備えているため、クラッド内を伝搬する光は急速に減衰し、わずか数センチメートル伝搬した後に消滅します。この例外はダブルクラッドファイバーで、これは内側のクラッドとコアの両方でモードをサポートするように設計されています。^{[ 6 ]}

ガラスファイバーの製造では、光が当たった際に散乱し、光の総伝搬距離を減少させる表面の不規則性（例えば、気孔や亀裂）が必然的に発生します。ガラスクラッドを組み込むことで、これらの表面の不規則性による減衰を大幅に低減できます。これは、クラッドのないファイバーの場合、ガラス/空気界面よりもガラス/ガラス界面での光散乱が少ないためです。^{[ 2 ]}これを可能にする主な要因は、2つのガラス表面間の屈折率の変化が小さいことと、クラッド上の表面の不規則性が光線に干渉しないことの2つです。ガラスクラッドの組み込みは、ポリマーコーティングを施すだけの場合よりも優れています。ガラスは一般的に強度が高く、均質で、清浄だからです。さらに、クラッド層を組み込むことで、より細いガラスファイバーコアを使用することも可能になります。^{[ 4 ]}ほとんどのガラスファイバーは、外径が125ミクロンまで増加するクラッドを備えています。^{[ 7 ]}

マルチモード光ファイバーの開口数は、クラッドとコアの屈折率の関数である。

${\displaystyle {\rm {{NA}={\sqrt {n_{\rm {core}}^{2}-n_{\rm {clad}}^{2}}}}}}$

開口数により、ファイバー界面での入射角の許容値を計算できます。^{[ 5 ]}これにより、入射光がコアに入り、全反射を維持できる最大角度が得られます。

${\displaystyle {\rm {{NA}=\sin(\theta _{A})}}}$

これら2つの式を組み合わせると、上の図のように、$\displaystyle \theta _{A}}$は関数である${\displaystyle n_{1}}$そして${\displaystyle n_{2}}$、 どこ${\displaystyle n_{1}}$はコアの屈折率であり、${\displaystyle n_{2}}$

${\displaystyle n_{2}}$は被覆材の屈折率である。^{[ 7 ]}

光ファイバーのコアとクラッドは、比較的高い光透過率を提供するため、通常は高純度シリカガラスで作られています。伝送距離の増加やファイバーの柔軟性の向上など、さまざまな特性を与えるために、特定の不純物が添加されることがあります。^{[ 8 ]}ここ数年で、これらの特性を改善するための重要な研究が行われてきました。

 この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。 （ MIL-STD-188に準拠）