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光ファイバー(ひかりファイバー、Optical fiber)は、離れた場所に光を伝える伝送路である。

光ファイバーを利用した設備・通信などについては、参照のこと。

◆ 特長

電磁気の影響を受けずに極細の信号線で高速信号が長距離に伝送出来るため、デジタル通信を中心に多くの通信用途に使用されている。2008年現在、1本の光ファイバーの伝送能力は100Tbpsを越える程度である。無中継での伝送では100km間隔http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/1209/gyokai274.htmのものが実用化されている。

◆ 構造

光ファイバーはコア(core)と呼ばれる芯とその外側のクラッド(clad)「clad」は基本的に日本国内で用いられる呼称。英語圏では「外装」を意味する「cladding」が用いられると呼ばれる部分、そしてそれらを覆う被覆の3重構造になっている。クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射や屈折により出来るだけ光を中心部のコアにだけ伝搬させる構造になっている。コアとクラッドはともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックでできている日経NETWORK 2006年3月号「イーサネット技術読本」p126須藤昭一、横浜至、山田誠著 「光ファイバと光ファイバ増幅器」 共立出版 2006年9月1日初版1刷発行 ISBN 4-320-08563-9。

また、被覆がないコアとクラッドのみの状態を単に「光ファイバー」と呼び、光ファイバーの表面をシリコーン樹脂で被覆したものを「光ファイバー素線」、光ファイバー素線をナイロン繊維で被覆したものを「光ファイバー芯線」、光ファイバー芯線を高抗張力繊維と外皮で被覆したものを「光ファイバーコード」とする呼びかたもある。複数の光ファイバー芯線に保護用のシースと呼ばれる被覆をしたものを光ファイバー・ケーブルと呼ぶこともある。

◆ 特性

◇ 屈折率と透過率

一般的な石英ガラスを使った光ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差は、わずかに0.2% - 0.3%程度である。石英ガラスの屈折率はおよそ1.5なので、1秒間に地球を5周程度回る速度(秒速約20万km)で光信号が伝わってゆく。光ファイバーの中で失われる光の量は1kmで数%程度である。

◇ 損失

光ファイバー中の光の減衰は以下の多くの要素が関係している。低損失で長距離伝送が可能な光ファイバーの製造にはこれらの影響を小さくすることが求められる。

・ 素材固有要因

  ・ 吸収損失

    ・ 紫外吸収

    ・ 赤外吸収

  ・ 散乱損失

    ・ 線形散乱(レイリー散乱、屈折率、密度変動)

    ・ 非線形散乱(ブリリアン散乱、ラマン散乱、格子振動との結合)

・ 外的要因

  ・ 吸収損失

    ・ 遷移金属イオンによる吸収

    ・ ヒドロキシ基による吸収

  ・ 散乱損失

    ・ 構造不完全性のよる散乱

    ・ 結晶などの異物による散乱

  ・ 放射損失

    ・ 光ファイバーの曲がり(曲げによる放射損失、マイクロベンディング・ロス)

  ・ 接続損失

    ・ 光ファイバの接続面からの反射(フレネル損失)

    ・ 光ファイバの接続時のずれ

    ・ 発光素子、受光素子の結合損失

◆ モードによる分類

光ファイバーの中を伝播する光の経路によってモードが分かれる。つまり、光が光ファイバーのごく狭い中心部だけを通るものが「シングルモード・光ファイバー」であり、光が光ファイバーの中をある程度の幅をもって通るのが「マルチモード・光ファイバー」である。

また、円筒状の伝送路である光ファイバーに横波である光を伝送すると、経路が同じでも偏波面が異なる、いわゆる偏波モードが生じる。光ファイバーの形状が完全な円筒であり、屈折率や温度などの条件も完全に均一であれば、伝送特性は偏波モードに依らない。しかし、実際には製造工程での狂いや外力などの不均一性により、伝送特性が偏波モードに依存することが多い。偏波モードによる伝送特性、特に遅延特性の差は偏波モード分散と呼ばれており、主に波長分割多重や長距離伝送にて伝送距離を制限する。

◇ マルチモード・光ファイバー

マルチモード・光ファイバー(Multi mode optical fiber)は、光が多くのモードに分散して伝送されるものである。

シングルモード型と比較して以下の特性がある。

・ コア径が太く曲げに強い

・ 光ファイバー同士の接続や光ファイバーと機器との接続が比較的容易である

・ 伝送損失等が大きく長距離伝送に向かない

・ 安価である

; グレーデッド・インデックス型

: グレーデッド・インデックス(Graded index、GI)型は、屈折率分布型とも呼ばれ、コアの屈折率が動経方向に対して二次関数的に連続変化するようなものである。中心から離れるに従って屈折率を小さくしているため、光が徐々に屈折しコアに閉じ込められることになる。また、媒質中の光の速度は屈折率に反比例するため、光の速度は中心から離れるにつれて速くなる。これにより、斜めに進む光と直進する光が端から端まで到達する速度は同じになり、伝送波形が崩れにくい。ステップ・インデックス型に比べ製造が難しく高価になりがちであるが、高速伝送が可能である。ガラス製の場合、クラッド外径が125μm、コア径が50μm、62.5μmの2種類があり、10Gbpsで500mの中距離高速伝送が可能である。完全フッ素化ポリマーを使用したプラスチック製の場合、クラッド外径が500μm、コア径が120μmであり、10Gbpsで100mの伝送が可能である。

; マルチステップ・インデックス型

: マルチステップ・インデックス(Multi-step index、MI)型は、コアの屈折率が動経方向に対して段階的に変化するものである。SI型とGI型との中間的な性質を持つ。

; ステップ・インデックス型

: ステップ・インデックス(Step index、SI)型は、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わるものである。コアとクラッドの境界面で全反射するような角度で入射させ光を伝送する。しかし、斜めに入射した光が中央を真っ直ぐ進む光より長い距離を進み到達時間が長くなることになり、長距離伝送後に元の波形が崩れてしまうという欠点がある。グレーデッド・インデックスに比べ製造が簡単で安価であるが、高速伝送・伝送距離などの特性はやや劣る。プラスチック製の場合クラッド外径が1,000 - 750μm、コア径が980 - 500μm程度であり、LEDを光源とした400Mbpsで10m程度までの伝送が可能である。音声やビデオの短距離伝送に用いられている。

◇ シングルモード・光ファイバー

シングルモード・光ファイバー(Single-mode optical fiber)は、光が単一のモードで伝送されるものである。遠距離通信用のガラス製光ファイバーは、この方式が一般的となっている。ガラス製の場合、マルチモード・ファイバーと同じくクラッド外径は125μmであるが、コア径が9.2μmと細い。ITU-Tの勧告として標準化されている。

マルチモード型と比較して以下の特性がある。

・ 伝送損失等が小さく長距離伝送に適合する

・ コア径が細く曲げに弱い

・ 高価である

; G.652 汎用シングルモード型(SM)

: 1,310nm帯に零分散波長があるもの。日本国内でNTTやKDDIをはじめとして、幹線に使用されているのが、このシングルモード型である。FTTHで各家庭に引き込まれている光ケーブルにもこのSM型が内蔵されている。

;G.653 分散シフトシングルモード型(DSF)

: 1,310nm帯よりも伝送損失が低い1,550nm帯を零分散波長とし、より長距離伝送を可能にしたもの。

;G.655 非零分散シフトシングルモード型(NZ-DSF)

: 零分散波長を1,550nm帯から少しずらすことにより、非線形現象を抑制して波長分割多重(WDM)のときの伝送特性を良くしたもの。

;G.656

:広い波長域で低分散である。

;G.657

:ビル内や宅内配線用に曲げた場合の光損失を低減したもの。

◆ 素材による分類

◇ プラスチック製・光ファイバー

プラスチック製・光ファイバー(Plastic optical fiber)は、 ガラス製の物に比べて以下の点で特徴がある。

・ 伝送損失が大きく、長距離高速伝送に向かない。

・ 安価である。

・ コア径が太く曲げに強い。

・ 光ファイバー同士の接続や光ファイバーと機器との接続が比較的容易である。

・ 比重が小さく軽量である。

そのため、近距離の伝送に用いられる。

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