知識

光ファイバー ケーブルは、ガラスまたはプラスチック ファイバーの極細の撚り線に沿って光信号を送信することで情報を伝送し、従来の銅線と比べて速度、容量、伝送範囲が大幅に向上します。{0} 3 つの主要な層 - 内部コア、周囲のクラッディング、および外部保護コーティング - で構築されたこれらのケーブルは、最新のブロードバンド ネットワーク、通信インフラストラクチャ、および産業用通信システムのバックボーンとして機能します。理解光ファイバーの仕組みいくつかの困難な問題を解決するのに大いに役立ちます。

光ファイバーとは

光ファイバー情報媒体として光を使用し、伝送媒体としてガラスまたはプラスチックを使用する通信導体です。基本的なプロセスは次のように機能します。電気信号は光パルスに変換され、非常に薄いガラス繊維を介して高速で送信され、受信端で電気信号に変換されます。標準的な通信ファイバーの直径は約 125 マイクロメートル - で、人間の髪の毛とほぼ同じです。この信じられないほど薄い断面にもかかわらず、内部は精密な多層同心構造を特徴とし、各層が独立した機能を果たしています。-

光ファイバーと光ファイバーケーブルを区別することが重要です。あ光ファイバーケーブルは、1 本または複数の光ファイバーを強度部材および保護ジャケットとともに収容する完全なケーブル アセンブリであり、長距離にわたってデータを光パルスとして送信するように設計されています。

光ファイバーケーブルの 4 層物理構造-

理解するために光ファイバーケーブルは何でできているのか4 つの精密に設計されたレイヤーを内側から外側まで詳しく見てみましょう。{0}

コア

まさに中心に位置するコアの直径は 8 ～ 62.5 マイクロメートルで、光信号が通過する実際のチャネルとして機能します。コアは、屈折率を高めるために微量のゲルマニウム (Ge) がドープされた高純度の-二酸化ケイ素 (SiO₂) から作られています。コアの純度は、信号の伝送距離と損失レベルを直接決定します。- 通信グレードのファイバーには 99.99% 以上のガラス純度が必要です。-。

クラッディング

の光ファイバーケーブルの被覆125 マイクロメートルの均一な直径でコアを囲みます。これも二酸化ケイ素でできていますが、ドーピングの配合が異なり、コアよりも屈折率がわずかに低くなります。この屈折率の差は、光信号の伝送を可能にする物理的な前提条件です -。これがなければ、光は単にファイバーから漏れてしまいます。

コーティング（バッファー）

1 層または 2 層の UV- 硬化アクリレートコーティングクラッド上に適用され、ファイバーの総直径は 250 マイクロメートルになります。このコーティングは、裸のガラスを微小な曲げ、傷、湿気の侵入から保護します。コーティングの劣化は、長期使用後のファイバーの性能低下の主な原因の 1 つです。-

ジャケット

最外側の保護構造は通常、ポリエチレン (PE) またはポリ塩化ビニル (PVC) で作られており、一部の特殊な用途では低煙ゼロハロゲン (LSZH) 材料が使用されます。ジャケットには、取り付け時の引張、圧縮、曲げ応力に耐えるための強度部材として、アラミド繊維 (ケブラー)、鋼線、またはガラス繊維強化プラスチック (FRP) ロッドが含まれる場合もあります。

これら 4 つの層 - 高純度シリカ コア、ドープ シリカ クラッド、アクリレート コーティング、ポリマー ジャケット - が一緒になって重要な要素を構成します光ファイバー材料すべての通信グレードのケーブルに含まれています。-

実際の導入では、数十から数千本の光ファイバが束ねられて光ケーブルが形成されます。光ケーブルと光ファイバーは 2 つの異なる概念です。ファイバーは伝送媒体です。ケーブルは、ファイバー、強度部材、保護ジャケットで構成される完成品です。

光ファイバーケーブルの仕組み

全内部反射

背後にある基本原理光ファイバーケーブルがデータを送信する仕組みは全内部反射 (TIR) です。光が屈折率の高い媒体から屈折率の低い媒体に進み、入射角が臨界角を超えると、光は界面を通過するのではなく、100% 反射されて高い-側に戻ります。光ファイバーはまさにこの原理を利用しています。コアの屈折率 (約 1.467) はクラッドの屈折率 (約 1.460) よりも高いため、光信号はコア{6}}クラッド界面で浅いかすめ角で継続的に反射し、ファイバーに沿って伝播します。

ここでの重要なパラメータは開口数 (NA) です。 NA は、ファイバが入射光を受け入れることができる最大角度範囲を表し、コアとクラッドの間の屈折率の差によって決まります。 NA が大きいと結合許容差が大きくなり、光源との位置合わせが容易になりますが、分散が増大して信号品質も低下します。これは、ファイバー設計における重要なトレードオフの 1 つです。-

完全な光通信リンク

理解するために光ファイバーケーブルの仕組み現実世界のシステムでは、-システムの 3 つの主要な段階に注目する必要があります。光ファイバー通信リンク。

送信機:電気信号はまずデジタル パルス シーケンス (0 と 1) にエンコードされ、次に光源が電気信号を光パルスに変換します。光源には、レーザー ダイオード (LD) と発光ダイオード (LED) の 2 種類があります。-レーザー ダイオードは、出力が高く、スペクトル幅が狭く、変調速度が速いため、長距離、高速のシナリオに適しています。- LED は低コストですが、スペクトル幅が広いため、短距離用途に適しています。-

ファイバー (伝送セグメント):光パルスがファイバに入ると、コアに沿って伝播します。長距離伝送では、信号の減衰を補償するために光増幅器が一定の間隔で配置されます。最新の高密度波長分割多重 (DWDM) 光ファイバー技術1 本のファイバーで 80 ～ 160 の異なる波長チャネルを同時に伝送でき、それぞれが独立してデータを伝送できるため、1 つの-ファイバーでテラビット/秒-レベルの容量を実現できます。-。

受信機:光検出器 (通常は PIN フォトダイオードまたはアバランシェ フォトダイオード、APD) は、受信した光パルスを電気信号に変換し、クロック回復回路および決定回路を通じて元のデータに復元します。

信号の減衰

ファイバーを介した光伝送は損失のないプロセスではありません。信号の減衰が重要な制約です。光ファイバー通信システム設計。

減衰は 3 つの主な原因から発生します。 1 つ目は材料の吸収です。- ガラス内の残留ヒドロキシル イオン (OH⁻) が特定の波長 (1383 nm 付近) で吸収ピークを生成します。これが、現代の通信ファイバーが主に 1310 nm と 1550 nm の低損失ウィンドウを使用する理由です。-。 2 つ目は、レイリー散乱 - です。光とガラス内の微視的な密度の不規則性の間の相互作用により、散乱損失が発生します。これは、短波長での主要な損失メカニズムです。 3 つ目は曲げ損失です。- ファイバーの曲げ半径が小さすぎると、光信号がコアから漏れます。

参考までに、現在の主流の G.652D シングルモード ファイバの典型的な減衰は 1310 nm で 0.35 dB/km、1550 nm で 0.20 dB/km です。これは、1550 nm では、100 km 走行後に信号パワーが元のレベルの 1% に低下することを意味します。その結果、長距離幹線では、信号再生のために 80 ～ 100 km ごとに光増幅器が必要になります。{11}}

光ファイバーケーブルの種類:シングル-モードとマルチ-モード

光ファイバーは、伝送モードの数に基づいて 2 つの主要なカテゴリに分類されます。これら光ファイバーケーブルの種類物理パラメータ、性能仕様、および適切な用途が根本的に異なります。

シングルモードファイバー（SMF）-

シングルモード ファイバのコア直径は 8 ～ 10 マイクロメートルで、1 つの基本モード（LP01）のみを伝播できます。シングルモード ファイバは、モード間分散を排除することで、マルチモード ファイバをはるかに上回る帯域幅-距離積を実現し、中距離および長距離通信の標準的な選択肢となっています。-

一般的な動作波長は 1310 nm と 1550 nm で、光源として分布帰還型レーザー ダイオード (DFB-LD) を使用します。伝送距離は数十キロメートルから数百キロメートルに達します（光アンプを使用すると数千キロメートルまで延長可能）。アウタージャケットのカラーコードはイエローです。

主流の標準規格には、ITU-T G.652（標準シングル-モード）、G.655（非ゼロ分散シフト）、G.657（曲げに敏感でない、FTTH 導入用に設計された）などがあります。-

マルチモード ファイバー（MMF）-

マルチモード ファイバのコア直径は 50 または 62.5 マイクロメートルで、数百から数千の伝送が可能です。{0}光ファイバーのモード同時に伝播します。異なるモードは異なる速度で移動し、異なる時間に受信機に到着します-。これはモード間分散と呼ばれる現象-で、マルチモード ファイバの伝送距離と帯域幅を直接制限します。-。

一般的な動作波長は 850 nm と 1300 nm で、光源として VCSEL (垂直共振器面発光レーザー) または LED を使用します。伝送距離は通常、数百メートル以内です。ジャケットの色の識別: OM3/OM4 はアクア、OM5 はライム グリーン、OM1/OM2 はオレンジを使用します。

選択基準

その中で、さまざまな種類のファイバーケーブル、決め手は伝送距離です。 -データセンター内-の相互接続や-建物内のケーブル配線など、300 メートル未満の距離 - では、互換性のある光モジュールがシングルモードの同等のモジュールより大幅に安価であるため、マルチモード ファイバがコスト面で有利です。- 500 メートルを超える-キャンパス バックボーン、都市ネットワーク、長距離幹線--シングルモード ファイバーが唯一の実行可能な選択肢です。それぞれの最適な距離範囲内では、どちらのタイプも普遍的に優れているというわけではありません。マルチモード ソリューションは、多くの場合、総所有コストを削減します。

光ファイバーケーブルはどのように作られるのか

光ファイバーの製造精密化学工学と光科学の交差点に位置します。プロセス全体は、プリフォームの製造とファイバーの線引きという 2 つの段階に分かれています。

プリフォームの製造

プリフォームは、直径約 10 ～ 20 センチメートル、長さ約 1 メートルの高純度ガラス棒で、コア-の屈折率プロファイルが内部ですでに確立されています。主な製造方法には、MCVD (修正化学蒸着)、OVD (外部蒸着)、VAD (軸方向蒸着)、および PCVD (プラズマ化学蒸着) の 4 つがあります。

OVD プロセスを例に挙げると、高純度の四塩化ケイ素 (SiCl₄) と四塩化ゲルマニウム (GeCl₄) ガスは水素- 炎中で酸化反応を起こします。結果として生じるSiO2およびGeO2粒子は、回転するターゲットロッド上に堆積し、層ごとに積層されて多孔質ガラス体(「スートプリフォーム」と呼ばれる)を形成します。その後、高温で脱水され、焼結され、固体の透明なプリフォームに崩壊します。

単一のプリフォームから数百キロメートルのファイバーを生成することができます。プリフォームの品質によって、減衰、分散、カットオフ波長などのファイバの光学性能特性 - のすべてが決まります。- パラメータはプリフォームの段階で固定されており、線引きプロセス中に修正することはできません。

繊維の伸線

プリフォームは、高さ約 20 ～ 30 メートルの垂直構造であるドロータワーに供給されます。プリフォームの下端を約 2,000 度に加熱してガラスを軟化させ、重力と張力制御下で直径 125 マイクロメートルのファイバーに線引きします。描画速度は毎分 1,000 ～ 2,500 メートルに達します。

線引きプロセス中、ファイバーは±0.1 マイクロメートルの精度でリアルタイム監視するためのインライン レーザー直径ゲージを通過します。-その後すぐにコーティング段階に入ります。- 2 つのアクリレート層が UV ランプの下で硬化され、ファイバーの直径は 250 マイクロメートルになります。軟化からコーティングまでの全プロセスは 1 秒以内に硬化します。

線引き後、ファイバは耐用試験を受けます。通常、0.69 GPa (約 1% のひずみ) の張力をかけて、微小亀裂を含む部分を除去し、出荷されたファイバの機械的信頼性が 25 年の耐用年数要件を満たしていることを確認します。

光ファイバーケーブルは銅線よりも優れています

ファイバーと銅を比較すると、光ファイバーの利点すぐに明らかになる。以下の表は、ファイバーが現代のネットワークで好まれる媒体となっている理由を示しています。

ファイバーと銅は補完的なものであり、競合するものではありません。現在の主流のネットワーク アーキテクチャは、「ファイバーからエッジまで」の原則に従います。- バックボーン層とアグリゲーション層はファイバーを使用しますが、アクセス層（エンドデバイスまでの最後の数十メートル）は引き続き銅線を使用します。このアーキテクチャ パターンは、今後 5 ～ 10 年で根本的に変わることはないと予想されます。

光ファイバーの応用

の光ファイバーの用途電気通信から医療まで、ほぼすべての業界に及びます。主な応用分野は次のとおりです。

通信およびインターネットのバックボーン

世界中のインターネットは光ファイバーで動作します。海底光ファイバー ケーブルと地上の長距離トランク ケーブルは大陸を接続します。. 5G 基地局のフロントホール ネットワークとミッドホール ネットワークもファイバーに依存しており、各基地局には 6 ～ 12 個のファイバー コアが必要です。この規模では、ネットワークにおける光ファイバーケーブルの使用グローバル接続のまさにバックボーンを形成します。

データセンター

データセンターは、内部で短距離高速相互接続に OM3/OM4 マルチモード ファイバーを使用しています。{{2}データセンター間では、コヒーレント光通信技術を備えたシングルモード ファイバーが使用されており、波長あたりの速度はすでに 400G および 800G に達しており、導入が進行中です。{6}}

FTTH (ファイバー・トゥ・ザ・ホーム)

FTTH は、PON（パッシブ オプティカル ネットワーク）テクノロジーを使用して光信号を複数のエンド ユーザーに配信し、光ファイバーを住宅ユーザーに直接提供し、ギガビット{0}} クラスのブロードバンド アクセスを低コストで実現します。

産業用およびセンシング

光ファイバー センサーは温度とひずみのモニタリングに使用され、石油やガスのパイプライン、電力ケーブル、トンネル火災警報システム、大規模な構造健全性モニタリングなどに広く導入されています。-

医学

光ファイバーの応用医学では拡大が続いています。- 内視鏡、外科用レーザー、画像処理システムはすべて、照明、画像処理、精密な外科手術のサポートのために光ファイバーに依存しています。

軍事および航空宇宙

光ファイバーは軍事通信、データ バス、航空宇宙システムの銅に取って代わり、EMI 耐性と盗聴耐性を提供します。光ファイバージャイロスコープは、航空機やミサイルの誘導システムで広く使用されています。