光ファイバー

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光ファイバー
光ファイバー

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、関連項目参照のこと。

目次

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、ただし英語圏では「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[1][2]。

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。

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。

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伝送が出来るため、デジタル通信を中心に多くの用途に使用されている。2007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80km間隔のものが実用化されている。[2]

モード

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
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
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。

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。
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。
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。
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。

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。

プラスチック製・光ファイバーの材料

クラッド材料には、低屈折率をもつフッ素系ポリマーが用いられる。コア材料には、高屈折率、透明性、強度などが必要とされる。以下のものが良く用いられている。

完全フッ素化ポリマー
完全フッ素化ポリマーは、C-H結合をC-F結合に完全に置換し振動吸収を長波長側へ変化させ、光学損失を軽減するために用いられる。GI型で用いられていて、光学特性の面から注目されている。
ポリメタクリル酸メチル系
ポリメタクリル酸メチル（PMMA）系物質は、以下の特性からSI型で用いられている。
  • 安価
  • 機械的特性が良好
  • 可視光の透過性が良好
  • 原料からファイバ製品まで完全密閉で連続製造可能。
ポリカーボネート
ポリカーボネートは、PMMAに比べて耐熱性が高いため、自動車用などに用いられる。
ポリスチレン
ポリスチレンは、ベンゼン環を有するため可視領域での損失が大きい。
含重水素化ポリマー
含重水素化ポリマーは、C-H結合をC-D結合に一部置換し振動吸収を長波長側へ変化させ、光学損失を軽減するために用いられる。強度特性の低下はないが、吸水による光学特性の劣化が大きくなる。

プラスチック製・光ファイバーの製造法

  1. モノマー製造 :
  2. モノマー精製 : モノマーの純度を上げて特性の低下を防ぐ。
  3. 重合 : 一定の分子量になるように反応させる。
  4. 溶融紡糸 : 溶融した状態で、コアを内層・クラッドを外層とする糸にする。
  5. 被覆 : 表面に別の高分子を付着させ保護層とする。

ガラス製・光ファイバー

MCVD法
MCVD法
OVD法
OVD法
VAD法
VAD法
光ファイバー線引き装置
光ファイバー線引き装置

ガラス製・光ファイバー（Glass optical fiber）は、コア、クラッド共に石英ガラス（シリカ・ガラス）が用いられる。光を閉じこめて伝搬させるにはコアとクラッドに屈折率差が必要なため、コアには屈折率を上げるためにGe（ゲルマニウム）やP（リン）、クラッドには屈折率を下げるためにB（ホウ素）やF（フッ素）などが添加される。プラスチック製・光ファイバよりも伝送損失が小さいため、長距離伝送用の光ファイバーとしてよく用いられる。通信に用いる場合、伝送損失を下げる必要があるため、コア材料は最大の透明度が得られるように高純度のシリカ・ガラスが使われている。特に含水量（OH基）は数ppmまでに低減させている。これにより、伝送損失は0.3dB/km以下に抑えられている。

プラスチック製光ファイバーに比べて以下の特徴がある。

  • 伝送損失が小さく特性が良いので、長距離高速伝送に適合する。
  • コア径が細く曲げに弱い。
  • 光ファイバー同士や光ファイバーと機器との接続に、正確な軸あわせのできる特殊工具や機械的強度のある接続器具が必要である。
  • 比重が大きく重い。
  • 高価である。

ガラス製・光ファイバーの製造法

ガラス製・光ファイバーの製造は母材製造（プリフォーム）と線引きの2段階よりなる。

母材製造
MCVD法（Modified chemical vapor deposition method）
天然水晶から精製された石英ガラス管内にO2ガスによって気化したSiCl4、GeCl4、POCl3ガスを混合して送り込む。この管の外側から水素・酸素バーナーによって 1,600 °C - 1,800 °C まで加熱すると、送り込まれた酸化物ガスは一度「スート」（Soot）と呼ばれるガラス微粒子の集合体になって回転している石英ガラス管の内面に堆積してゆく。スートはバーナーからの熱を受けてより高温になって透明ガラスの層に変化する。このような堆積操作を100回程度行い、最後に管の内側に所要のガラス層が積層された石英管をさらに加熱し、中心部をつぶして母材とする。
OVD法（Outside vapor deposition mrthod）
MCVD法と同様にArガスを使ってSiCl4とGeDl4などのガラス原料ガスの蒸気を作りH2とO2のガスで加熱したターゲットロッドの側面に吹き付けてスートを堆積させる。スートが十分に成長すれば、ターゲット・ロッドをスートの管状堆積体（スート母材）から引き抜き、次にスート母材を高温加熱によって焼結して、管状で透明な光ファイバー母材を得る。
VAD法（Vapor phase axial deposition method、気相軸付け法）
水素と酸素の混合気体の火炎中で、高純度のSiCl4や屈折率に変化を持たせるGeCl4などを燃焼させることにより、不純物の少ないガラスを精製し、種となる棒の上に積もらせ、棒を移動させることにより長くしていく方法である。内周部と外周部で添加物の種類や濃度を変えることによりGI型のコアの形成やコアとクラッドの同時形成ができる。大型の母材を精製する事ができるため、低コストで光ファイバー芯線を製造することができる[2]。
上記3つの代表的なガラス製・光ファイバーの製造方法では、ガス化した原料の使用によって送り込む添加物の種類や濃度をコントロールすることが容易であるため、屈折率分布が複雑なファイバーや、特殊な元素をドープしたファイバーを比較的容易に製造することができる。
線引き
製造された母材を縦方向にして約2000°Cにした電気炉にいれ、石英が溶けて自重で糸状に引き伸ばされて垂れてきたものを、保護樹脂で被覆して巻き取り、光ファイバー素線とする。

フォトニック結晶ファイバー

フォトニック結晶ファイバーと呼ばれる新しい構造の光ファイバーが登場している。以下の2つのタイプがある。いずれも、クラッド部に等間隔の空孔が空けられている。

屈折率導波型
コア部がクラッド部のガラスと同じ素材で構成されており、別名ホーリー・ファイバーとも呼ばれる。クラッド部に作られた等間隔の空孔による屈折率1.0の低屈折率とコア部がクラッド部のガラスの1.5ほどの屈折率との大きな差によって光を閉じこめる。
フォトニック・バンドギャップ・ファイバー
コアが空孔で、クラッド部にも等間隔の空孔が空けられており、ブラッグ反射によって光が中央の空孔内を伝播する。非線形光学効果や、材料分散の影響がほとんどない光ファイバーが作られる。

増幅器用光ファイバー

光ファイバーはそのほとんど全てが通信用に使用されており、本記事中でも特に断らない限りすべて通信用光ファイバーについて記述している。1980年代後半に光ファイバーを使った光増幅器が発明されてからは、いくつかの改良を経て、2000年代後半の現在は、MCVD法によって製造される希土類イオンEr3+（エルビウム）やPr3+（プラセオジム）を添加した光増幅器専用の光ファイバーが製造されている。

希土類のハロゲン化物は蒸気圧を上げるのが困難なため、別に加熱するなどの工夫が求められている。

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
  • 外的要因
    • 吸収損失
      • 遷移金属イオンによる吸収
      • OH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

補足事項

光ファイバーによる通信技術を初めて発明したのは、日本の研究者である西澤潤一であると考える人もいる[3]。西沢はGI型光ファイバーについて1964年に特許出願しているが、手続き上の不備によりその出願は拒絶されている。 なお、光ファイバーに関連する主な国際特許はアメリカのコーニング社が保有している。

脚注

  1. ^ 日経NETWORK 2006年3月号「イーサネット技術読本」p126
  2. ^ a b c 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
  3. ^ http://homepage2.nifty.com/tkeizo/book120925-j.html

関連項目

外部リンク

"http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%90%E3%83%BC" より作成

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