光ファイバーとは何か

定義

光ファイバーは、ガラス（シリカ）またはプラスチックで作られた細く柔軟なストランドで、光学信号（光）の伝送に特別に設計されています。見た目は繊細ですが、一般的に人間の髪よりも太い直径を持っています。

より正確には、光ファイバーは波導管として機能し、光周波数での電磁波の伝送を可能にします。この特有の性質により、効率的に長距離で情報伝送を行うことができ、信号損失も最小限に抑えられるため、現代の通信技術において重要な役割を果たしています。

光ファイバーの構造

光ファイバーは基本的に2つの主要な構成要素から成り立っています：コアとクラッド。コアは主にガラスで作られた円筒形の誘電体構造で、光の伝播経路として機能します。この中央領域内を光学信号が伝送され、全反射の原理によって導かれます。コアを取り囲むクラッドは通常、プラスチックで作られています。クラッドは、コア内の光を閉じ込め、光学信号が整然と伝送され、長距離でも漏れや劣化が起こらないようにする重要な役割を果たします。

以下の図は、光ファイバーの詳細な構造を示しており、コアとクラッドの異なる層とそれぞれの役割を強調して、効率的な光伝送をどのように促進するかを示しています。

構造と機能の詳細

全体の光ファイバーアセンブリは弾性ジャケットで覆われており、これは保護層として機能します。このジャケットは、物理的な損傷、環境要因、機械的ストレスからファイバーを保護し、インストール、運転、取り扱い中の整合性を確保します。

光ファイバーでは、クラッドは直接光波の伝送には寄与せず、光はコアを通ってのみ伝送されます。しかし、コアとクラッドの組み合わせは、散乱による信号損失を最小限に抑えるために不可欠です。これは、両成分間の屈折率の違いが光の効率的な導きを可能にするためです。具体的には、コアの屈折率はクラッドよりも高い必要があります。この屈折率の差異こそが、ファイバー内で効果的な光伝送を可能にする基本的な原理です。

光ファイバーにおける光の伝播

光ファイバーは、光（フォトン）の形式で信号を伝送するように設計されています。では、実際に光が光ファイバー内をどのように伝播するのでしょうか？その答えは、全反射という現象にあります。

光が光ファイバーに入ると、コアを通って伝播しながら、クラッドからの連続的な反射を受けることになります。これらの反射は全反射であり、特定の条件下で発生します。以前に全反射について述べた通り、この現象は、光が高屈折率の媒質（密度の高いコア）から低屈折率の媒質（希薄なクラッド）へ、臨界角よりも大きな入射角で進行するときに発生します。

このような入射角を持つと、光はクラッドに屈折するのではなく、コア内で連続的な反射をしながら伝播し続けます。コアの円筒形状と比較的小さな直径により、コア-クラッド界面から反射される光量は最小限に抑えられます。これにより、光線の入射角が常に臨界角以上に保たれ、光が効果的にファイバーの長さに沿って導かれます。

光ファイバーにおける伝播モード

光が光ファイバー内を伝播するとき、コアを通過する単一のパスまたは複数のパスを取ることができます。「伝播モード」とは、光がファイバー内を伝播する際に取ることができる異なるパスの数を指します。光ファイバーには主に2つの基本的な伝播モードがあります：

シングルモードファイバー

シングルモードファイバーでは、光はファイバー内を1つのパスのみで伝播します。この単一の波伝播パスは、転送プロセス中の信号歪みを大幅に削減します。光が複数のパスを取らないため、信号の整合性は長距離でも維持され、高品位な通信が可能となります。

シングルモードファイバーのコアは非常に小さな直径を持っているため、高度に集束された光ビームを使用する必要があります。そのため、鋭く一貫したビームを放出できるレーザー光源が主に使用されます。これにより、狭いコア内でも大きな分散や散乱なく効果的に伝播することができます。

マルチモードファイバー

マルチモードファイバーは、シングルモードファイバーと比べて大きく広いコアを持っています。この広いコアにより、光はコア内で複数のパスを取ることができます。この特性により、同時に多くの光を伝送できますが、信号分散と減衰の可能性も増加します。信号分散は、コア内の異なるパスを通過する光が到達時間にわずかな違いがあるため、信号がぼやけてしまいます。また、大きなコア内の散乱や吸収などの要因により、減衰もより顕著になります。しかし、広いコア直径は、いくつかの伝播パスを提供する利点があり、長距離・高帯域幅伝送よりも簡便さと低コストが優先されるアプリケーションに適しています。

ガラスファイバーとは何か

ガラスは、硬度、透明性、脆性を特徴とする非晶質固体です。ガラスは、材料の組み合わせを溶融させ、急速に冷却（急冷）することによって作られます。結晶性固体と異なり、ガラスには明確かつ規則的な分子構造はありません。代わりに、その分子は無秩序かつ任意のパターンで配置されています。

ガラスは、その材料組成を変えることで、それに応じてその性質が変わるという特徴を持っています。この性質の可塑性により、特に性能を調整した光ファイバーを製造する上で、ガラスは多様な用途に適した材料となります。

光ファイバーの利点

• 歪み抵抗性のある信号伝送：光ファイバーは光波の伝播を可能にし、信号を伝送する際の歪みに対する耐性が高いです。これにより、情報の整合性が長距離でも維持されます。

• 安全で長距離の通信：これらのファイバーは、データを長距離で安全に伝送する手段を提供します。ファイバー内の光波伝送の性質により、信号が制限され、傍受や干渉のリスクが低減されるため、データセキュリティが重要となるアプリケーションに適しています。

• 長い寿命：他の種類の伝送ケーブルと比較して、光ファイバーははるかに長いサービス寿命を持っています。耐久性と摩耗への抵抗力により、長期にわたって信頼性の高いパフォーマンスを維持し、頻繁な交換の必要性を最小限に抑えます。

光ファイバーの欠点

• 高額な設置とメンテナンスコスト：光ファイバーシステムの初期設置と継続的なメンテナンスは相対的に高価です。専用機器のコスト、設置に必要な熟練労働力、最適なパフォーマンスを確保するための定期的なメンテナンス費用が含まれます。

• 環境要因への脆弱性：光ファイバーは脆弱な性質のため、環境条件からの保護が必要です。物理的なストレス、極端な温度、湿気、その他の環境要素にさらされると、ファイバーが損傷し、信号伝送が妨げられる可能性があります。

• リピータの必要性：光ファイバーは、信号を長距離で最小限の歪みで伝送できますが、信号伝送中にリピータを使用することがしばしば必要です。これらのリピータは、距離による劣化を補うために信号を増幅および再生しますが、これによりシステム全体の複雑さとコストが増加します。

光ファイバーは、その優れた動作特性により、一般的にシリカで製造されます。シリカは化学的に安定した材料であり、厳しい環境条件下でも大幅な劣化なしに耐えられます。その安定性と光学特性により、信頼性と効率的な信号伝送を確保するための材料として選ばれます。