光ファイバーと光ファイバーケーブルは、短い距離または長距離で光エネルギーと情報を送信するために使用されます。過去数十年にわたって、光ファイバーは半導体レーザーダイオードと光学受信機と組み合わされて、光ファイバー通信システムの急速な成長を可能にしてきました。光ファイバーは、コア、コアの周りの同心円状のクラッド、およびわずかに低い屈折率（約1％）で構成される円形の断面誘電波動管です。光繊維は通常、二酸化シリコンの屈折率を変化させるGeo2などのドーパントを備えた二酸化シリコンで作られています。ファイバーオプティックケーブルは、繊維の処理を容易にする保護層のファイバーをカプセル化し、隣接する繊維間のクロストークを減らし、粗い表面に押されたときに繊維の損傷を防ぎます。光透過の利点に加えて、繊維コア内の小さな領域への光の閉じ込めにより、繊維レーザーとフォトニック結晶繊維の発達が促進されました。
光学の基礎
図1臨界角とティルの概略図（左）。臨界角よりも大きい角度でコアクラッディング界面で照射された光は、繊維のコア内に閉じ込められています（右）。受信角度（）、NAおよび屈折率の関係。
図1は、光の媒体の界面に遭遇するインシデントライトの方向を示しています（つまり、光がガラスから空気へと移動するときのように）。 Snellの法則によると、光線1と2は屈折し、界面を通過した後、光線が通常から離れて曲がっています。臨界角θcと呼ばれる特定の入射角で、屈折角は90度（光線3）であり、2つのメディア間の界面に沿って光が移動します。 θcより大きい角度の場合、屈折光線はなく、光は総反射（TIR）を受けます。屈折率が高い媒体から光が入射する場合、Snellの法則を使用してθc= Arcsin（N2 / N1）を決定します。以下に示すように、それは光ファイバを通して光の伝播を可能にする総反射特性です。
光ファイバーは、クラッディングよりも屈折率が高いコアを備えた円形の誘電波動管です。図1に示すように、TIRの角状態が満たされている場合、光はコアに限定されます。光ファイバのNAは、Core.NAのTIR入射光の最大入射角（）の正弦（）として定義されます。NAは、光ファイバが光を集中させる能力の定性的尺度であり、光を繊維に結合するのがどれほど簡単かを示します。光ファイバのジオメトリと組成により、繊維を通して伝播できる離散電磁場またはファイバーモードのセットが決まります。モードは、2つの広範なカテゴリに分類されます。ラジエートおよび実行されたモードです。繊維Naの指定された角度の外側に放出される光は、放射モードを励起します。
これらのモードは、コアからエネルギーを運び、すぐに消散します。繊維のNA内で放出される光は、通常、コアに限定されている実行されたモードを生成します。これらのモードは、繊維に沿ってエネルギーを伝播し、情報と電力を送信します。光ファイバのコアが十分に大きい場合、同時に多くの伝導モード、すなわちマルチモード伝播をサポートできます。光が光ファイバーに入射すると、モードは入射条件（入力コーン角、スポットサイズ、軸中心など）に応じてさまざまな程度に興奮し、さまざまな空間分布を示すことができます。レーザーの横方向のモードと同じように、光ファイバの最低次モードには、ガウスに近い空間分布があるため、同じ利点がたくさんあります。これが、光繊維のシングルモード伝送を維持することがよくある理由です。ファイバーの正規化された周波数パラメーター（V番号とも呼ばれます）は、繊維のNAとコアの半径に基づいて、特定の波長でモードの数を表す非常に有用な技術パラメーターです。
図2石英繊維の典型的なスペクトル減衰（左）。光が繊維に沿って移動すると、分散により個々の光パルスが時間領域で広がります（右上）。伝播後の分散のために認識できなくなる情報ビットのストリームを表す複数のパルスの例（右下）。
光ファイバを介して伝播する光学電力は、吸収と散乱の損失により、繊維の長さで指数関数的に減衰します（図2を参照）。減衰は光ファイバー通信システムの最も重要な要因であり、受信できる信号のレベルに直接影響します。 NIRおよびVIS領域では、純粋なシリカの小さな吸収損失は、FIRおよびUVの吸収帯の尾部によるものです。不純物、特に水酸化物イオンの形の水は、市販の光繊維におけるより支配的な吸収源です。繊維純度の最近の改善により、減衰損失は0。散乱損失は、繊維が硬化し、コア直径とジオメトリが不規則である場合、繊維の小さな屈折率の変動の形で減衰につながる可能性があります。
光ファイバの帯域幅は、データ送信速度を決定します。光ファイバの帯域幅を制限するメカニズムは、分散と呼ばれます。分散とは、繊維に沿って伝播するときに発生する光パルスの広がりです。その結果、1つのパルスが別のパルスに伸び、情報が区別できなくなります（図2を参照）。
分散は、情報を送信できる帯域幅と距離を制限します。分散には、モーダル内分散とモーダル分散の2つの主なタイプがあります。モーダル分散分散には、2つの異なるタイプの種類があります。色素分散と分極モードの分散です。色分散は、単に波長で変化する材料の屈折率の結果です。偏光モード分散は、複屈折の結果として繊維の異なる速度で移動する直交偏光モードによるものです。異なる伝播モードが異なる速度で移動するため、間モーダル分散が発生します。したがって、インターモーダル分散はマルチモードファイバーにのみ適用されます。
図3異なる方向から繊維を絞ることによりトリガーされる光ファイバーの偏光制御。
シングルモードファイバーは、2つの直交偏光モードで構成されるモードをサポートしています。これは、繊維コアの断面の非対称性の結果です。通常、外部応力はランダムであり、結果として生じる誘導双屈により、偏光状態を乱したりランダム化したりするのに役立ちます。バイアスを摂取する繊維と呼ばれる特殊繊維は、その長さにわたって一貫した複屈折パターンを生成します。これは、繊維のジオメトリと一方向に大量の応力を生成する材料を最適化することによって達成されます。この大きな誘導双灰色は、ランダムな複屈折と比較して支配的であり、繊維内の伝播中に偏光状態を維持できるようにします。光ファイバで偏光状態を制御することは、2つの直交偏光状態の位相を変更する波形を適用することにより、自由空間制御に類似しています。これは、繊維の応力誘発双骨網によって達成され、遅延が発生し、導波路ベースの波形が生じます。繊維の周りを回転する繊維絞り係を含む同様の偏光装置を図3に示します。光ファイバーに圧力をかけると、線形複屈折が生成され、圧力と変動する遅延で光ファイバー導波路を効果的に形成します。
