光ファイバー内で光が実際に占めるスペースはどれくらいですか？
単一モードファイバーでは、光が実際に占める空間（すなわち電磁場エネルギー分布の物理的空間）は、「コア（Core）」という幾何学的寸法に限定されません。
1. 物理的概念：光はコア内だけを伝搬しない
古典電磁理論とマクスウェル方程式によると、ファイバー内を伝搬する光波は導波モードとして存在します。単一モードファイバーの場合、主に基底モード（$ \text{LP}_{01} $）が伝搬します。
コアの屈折率はクラッドより高いですが、全反射の条件は満たされます。しかし、電磁場はコアとクラッドの界面で瞬時にゼロに減衰するわけではありません。クラッド内では、光場は指数関数的に減衰するスロープ波（Evanescent Wave、すなわち消散波/減衰場）として存在し、クラッドの深部へと浸透します。
したがって、光がファイバー内で実際に占める空間は**「コア + クラッドの一部」**です。
2. 「モードフィールド径（MFD）」とは？
ファイバーの断面積において光が占める実際の物理的空間を正確に定量化するために、一般的な工学指標である**モードフィールド径（Mode Field Diameter, MFD）**が導入されました。
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ガウス近似定義：単一モードファイバーでは、基底モードの光強度分布は径方向でガウス分布に非常に近くなります。モードフィールド径は、光強度が中心軸の最大光強度の 1/e^2 （約 $ 13.5% $）まで低下する位置に対応する断面積直径として定義されます。
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Petermann II 定義：厳密なガウス分布ではない場合（例：分散シフトファイバー）には、Petermann II 定義が採用され、その数学的表現は次のようになります。
\text{MFD} = 2 w_p = 2 \sqrt{ \frac{ 2 \int_0^{\infty} E^2(r) r \, dr }{ \int_0^{\infty} \left( \frac{dE(r)}{dr} \right)^2 r \, dr } }
これは、マイクロベンディングやアライメントのずれによる接続損失をより正確に反映することができます。
3. 光が実際に占める空間の大きさは？
最も一般的な \text{G.652D} 標準単一モードファイバーを例にとります。
- 幾何学的コア直径：通常約 9\ \mu\text{m} です。
- ** 1310\ \text{nm} 波長での MFD**：約 9.2 \pm 0.4\ \mu\text{m} です。
- ** 1550\ \text{nm} 波長での MFD**：波長が長いため、光場はクラッドにより深く浸透し、MFDは約 10.4 \pm 0.5\ \mu\text{m} に増加します。
これは、 1550\ \text{nm} 波長で動作する光は、 1310\ \text{nm} 波長で動作する光よりも実際にファイバー内で占める空間が大きいことを示しています。
OFSCN® (大成永盛) 関連製品
大成永盛（OFSCN®）が提供する各種ファイバーおよびファイバーグレーティング製品は、すべて標準 \text{G.652D} または \text{G.657} などの導波路基礎に基づいて厳格に設計されています。研究開発およびシステム統合において、MFD を正確に理解することは、融着損失の最適化と曲げ損失の制御に不可欠です。
以下に OFSCN® の高品質ファイバー製品の一部を紹介します。
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OFSCN® G.652D 光ファイバー
標準 \text{G.652D} 光ファイバーロッドに基づいて製造されており、コア直径は 9\ \mu\text{m} 、クラッド直径は 125\ \mu\text{m} で、 1310\ \text{nm} で標準的なモードフィールド径を有しています。
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OFSCN® 200℃ ポリイミド光ファイバー
耐熱温度 200^{\circ}\text{C} のポリイミド単一モードファイバーで、こちらも標準 \text{G.652D} 光ファイバーロッドに基づいて製造されており、高温で過酷な環境下でも非常に安定したモードフィールドと光強度分布を提供します。
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OFSCN® 300℃ 小型光ファイバー
極めてコンパクトなスペースに適した高温細径単一モードファイバーです。コア直径は 9\ \mu\text{m} 、クラッド直径は 80\ \mu\text{m} に縮小され、コーティング層直径はわずか 100\ \mu\text{m} です。非常に細い幾何学的寸法でありながら、優れた単一モード伝送品質と正確なモードフィールド径設計を維持しています。
