石くれと砂粒の世界

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zoom RSS 導波モード

<<   作成日時 : 2007/07/29 19:01   >>

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 レーザでは縦モードとか横モードとか「モード」という語がよく出てきます。この導波モードもその一つです。モードという語を辞書で引いてみると、一般語の訳としては様式とか方式という語が載っています。○○様式とか××方式というと、単純に言えないような複雑な性質を引っくるめて分類するような場合に使われると思われます。
 
 レーザの分野で専門用語として使われるモードは、本来電磁波の分野から来たものです。「姿態」いう耳慣れない訳語が当てられていましたが、最近はあまり使われなくなっているようです。電磁波という波は電界の振動と磁界の振動からなっていてそれらの振動には方向、振幅、周波数という要素があるので複雑です。これを伝わり方の性質ごとに分けるときにモードという語を使います。

 一番直感的に分かりやすいのは導波モードと放射モードでしょう。光導波路のコアのなかを伝わる光を光線と考えると、屈折率の高いコア部と屈折率の低いクラッド部の界面で、ある角度より緩い角度で界面に当たる光線は界面で全反射されてクラッド側に出ず、図Aに示すようにコアの中をジグザグに折れ曲がりながら伝わります。これを導波モードの光と言います。画像

 しかし図Bのようにある角度よりきつい角度で界面に当たる光線はコア部からクラッド部へ出てしまいます。つまり光導波路のなかを伝わることができません。これを放射モードの光と言います。このある角度を臨界角と言います。

 導波モードには複数のモードがあります。光ファイバには単一モード(シングルモード)光ファイバと多モード(マルチモード)光ファイバがありますが、単一モード光ファイバは一つの導波モードの光しか導波しないのに対し、多モード光ファイバは複数の導波モードの光が伝わります。この一つとか複数のモードとはどんなものでしょうか。

 図Aに戻ってジグザグに進んでいく導波モードの光線を見ると、この光線は上下のコアとクラッドの境界で反射され、行ったり来たりしています。これは以前に説明した光共振器に似ています。光共振器では2つの鏡の間を光が行って帰ってくるときに、波がちょうど重なりあうように鏡が置かれていると光は強め合いました。光導波路でも光が上下の境界を行って帰った例えば図のA点とB点で波が重なり合う条件になっていると光は強めあってうまく伝わります。

 A点とB点は場所がちがうので、光共振器の場合とはちがって強めあったり、弱めあったりは関係ないではないかという疑問も出てくるでしょう。これは光導波路のなかを伝わる光をわかりやすくするために光線と考えているからで、実際には光が波であるのでこのように考える必要があるのです。

 導波モードに戻ると、光共振器の場合、共振して強め合うのは鏡の間の距離が波長の整数倍の場合であればよく、いろいろなケースがありました。光導波路の場合も波長とコアの幅の関係でいろいろなケースが出てきます。これが複数の導波モードに相当します。コアの幅があまり狭いともはや光はコアに入ることはできず、光導波路として機能しません。ある幅以上になると、上下の境界の間を1波長で行って帰ってくる光だけが伝わるようになります。しかし2波長で行って帰る光は伝わることができないようにコアの幅を定めることができ、この場合は1つのモードしか伝わらないので単一モード(シングルモード)光導波路になります。コアの幅を大きくしていくと複数のモードの光が伝わるようになり、これが多モード(マルチモード)導波路です。

 半導体レーザでは普通、コア層の幅は数μmで、単一モードしか伝わらない光導波路になっています。 

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コメント(1件)

内 容 ニックネーム/日時
初めまして。いつも頭を抱えながら拝見しています。
シングルモードファイバーとマルチモードファイバーについて質問があります。

両者に太陽光を集光し、反対側から出た光を2枚の平凸レンズ等で一点に集める場合を考えます。
そのとき、両者の結像した結果はどのように違ってくるのでしょうか?(レンズによる収差等は考慮しないものとします)
マルチモードの方が少しぼやけた点になるのでしょうか?

お忙しい所申し訳ありませんが、よろしくお願いします。
Ren
2009/10/15 16:56

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