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溶融紡糸されたポリマー光ファイバの曲げ損失の実験的決定とレイトレーシングシミュレーション
Experimental determination and ray-tracing simulation of bending losses in melt-spun polymer optical fibres.
PMID: 32681010 DOI: 10.1038/s41598-020-68568-0.
抄録
高分子光ファイバ（POF）の減衰特性、特に曲げ損失については、これまでのところ、曲げ半径、長さ、曲げ距離などの曲げパラメータを調査した実験的な研究によってしか文書化されていません。ダンピングのメカニズムや原因はよく知られているにもかかわらず、単純で一般的に有効な公式は存在しない。ここでは、溶融紡糸されたポリマー光ファイバの任意の曲げ形状に対する光学モデルを作成することができるシミュレーション技術を示す。開発されたモデルは、特にコアとクラッドの界面及びクラッド-空気界面の散乱損失を考慮に入れています。特に、コアとクラッドの界面及びクラッドと空気の界面における散乱損失については、原子間力顕微鏡測定による実験データが得られているため、後者は界面の粗さに起因するものである。シミュレーションの妥当性を示すために、モデルと実験結果を比較しました。その結果、モデルと実験データの間の分散は低い(S<4.6%)ことがわかった。このモデルはPOFの光学特性の理解を深めることに貢献するだけでなく、小さな曲げ半径を持つ繊維が組み込まれた医療用フォトニック繊維センサーの設計にも直接適用可能である。
The damping properties and specifically the bend losses of polymer optical fibres (POFs) have so far only been documented by experimental work, investigating bending parameters such as bending radius, length, and distance of the bends. Even though damping mechanisms and causes are well-known, no simple, generally valid formula exists. Here, a simulation technique is shown that allows producing an optical model for any bending geometries of melt-spun polymer optical fibres. The developed model takes all relevant loss mechanisms into account, especially regarding the scattering losses at the interface of core and cladding as well as those of the cladding-air interface. The latter is caused by interfacial roughness for which experimental data have been obtained by atomic force microscopy measurements. To show the validity of the simulation, the model is compared to experimental results for several fibres and a variety of geometries. The variance between model and experimental data is low (S < 4.6%). The model not only contributes to improving the understanding of the optical properties of POFs, but it also has direct applicability to the design of photonic textile sensors for medicine, where the fibres are incorporated with small bending radii.