光ファイバー

光ファイバーの概要

光ファイバーは、遠く離れた場所に光を伝えるための通信路として広く利用されています。一般的には「光ファイバ」と呼ばれ、英語では「optical fiber」と表記されます。日本のJIS規格でもこの表記が用いられています。

特徴

光ファイバーは、電磁気の影響を受けずに、高速で長距離の信号伝送が可能であり、主にデジタル通信に幅広く使用されています。2023年現在では、結合型19コアファイバという新しい技術により、1本の光ファイバーで最大1.7 Pbpsの通信容量が実現されています。また、100 km間隔の無中継伝送も実現可能となっています。

構造

光ファイバーは、中心の「コア」と、その周囲を取り囲む「クラッド」、さらにその外側の被覆から成る三層構造を持っています。コアの屈折率をクラッドよりも高くすることで、光を中心部に閉じ込め、効率よく伝送します。コアとクラッドは、主に高い透過率を持つ石英ガラスまたはプラスチックで作られています。

呼称

光ファイバーは、その状態や処理に応じてさまざまに呼ばれます。被覆のないコアとクラッドを単に「光ファイバー」と呼び、シリコーン樹脂でコーティングされたものを「光ファイバー素線」と称します。また、ナイロン繊維によって覆われた場合は「光ファイバー心線」、高強度な繊維と外皮で覆われたものを「光ファイバーコード」と呼ぶこともあります。いくつかの光ファイバー心線が保護用の外皮で覆われたものは「光ファイバー・ケーブル」と称されます。

特性

光ファイバーの特性は、屈折率や透過率に大きく依存します。一般的な石英ガラスを用いたファイバーでは、コアとクラッドの屈折率差が0.2〜0.3%程度です。光が物質中を伝わる速度は、屈折率に基づいて約20万 km/sに達します。

損失

光ファイバー内部で失われる光の量は1 kmあたり数パーセントに過ぎません。特に低損失の光ファイバー開発においては、製造過程での素材の不純物や構造上の欠陥を最小限に抑えることが重要です。

歴史

光ファイバー通信の歴史は古く、17世紀にさかのぼります。当初は光の屈折の法則が定式化され、その後1820年に光がガラス内部で閉じ込められる条件が明らかにされました。1880年にはアレクサンダー・グラハム・ベルによって音声を可視光で通信する実験が行われ、1930年代にはガラス繊維の束で光を効率的に伝送する試みがされました。1958年、インドのナリンダ・シン・カパニーによって現在の光ファイバーの基礎となる構造が考案されました。

1960年代から70年代にかけては、光ファイバーの製造技術が急速に進化し、チャールズ・K・カオによって不純物を減少させることにより、損失を低減できることが提唱されました。1980年代には光増幅器用の光ファイバーが開発され、現在の通信インフラに不可欠な技術へと発展しました。

モードによる分類

光ファイバーは、そのコア内での光の伝わり方によって、シングルモードとマルチモードに分けられます。シングルモードは細いコアで効率的に長距離伝送を可能にし、マルチモードは太いコアを持ち、近距離や低コストの用途に適しています。

光ファイバーの用途

光ファイバーは通信の他、医学的な内視鏡や様々な計測器具にも使用されています。特に光ファイバーセンサーとしての応用は、建設現場の地盤監視や温度測定など多岐にわたります。

光ファイバーの技術は日々進化しており、通信速度の向上や新しい伝送技術の開発が進んでいます。今後もこの分野はさらなる発展が期待されています。

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