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光ファイバーにとって屈折率の設計が重要な2つの理由

光ファイバーは、インターネット接続や照明、センサーなどのケーブルに用いられている繊維です。

光ファイバー内の光の伝わり方が変わる重要な要素が屈折率です。この記事では、光ファイバーにとって重要となる屈折率の設計について解説します。

光ファイバーにとって屈折率の設計が重要な理由

光ファイバーにとって屈折率が重要である主な理由は次のとおりです。

 

1.    伝送速度

光ファイバーは中心に屈折率の高いコアがあり、その周りをクラッドと呼ばれるより屈折率の低い物質が覆っています。さらにクラッドの周りには一次被覆、二次被覆があり、光ファイバーを構成しています。

重要なのは、コアとクラッドの屈折率が異なるという点です。コアとクラッドの屈折率の設計によって、光ファイバー内の光の伝わり方が変わります。屈折率によって伝搬速度が変わるので、屈折率の設計は非常に重要です。

 

2.    伝送損失

光ファイバーは種類によって、それぞれ屈折率の設計が異なります。光の屈折率の分布が異なると、情報が伝達される際の損失が変わります。コアとクラッドの材質の違いによって、伝送損失は数倍から数百倍にもなるのです。

より長距離に情報を伝送したい、伝送損失を少なくしたい、情報網の構築を安価に済ませたいといった希望を実現するためには、屈折率の設計が非常に重要なのです。

 

光ファイバーの屈折率とは?

そもそも、光ファイバーの屈折率とはいったいどういうことなのでしょうか。

光ファイバーには屈折率の高いコアと、それを取り巻くコアよりも屈折率の低いクラッドが中心にあります。

光は屈折率の高い物質Aから屈折率の低い物質Bに進入するとき、進入角と違った角度でBの中を進んできます。進入角が浅くなると、Bの中を進む角度も境界面に対して平行に近くなっていきます。

さらに進入角を浅くしていくと、ある角度からは光がBに進入できなくなり反射します。これが全反射という現象です。海やプールで水中を泳いでいて、水面近くから空を見ようとすると水面に海底やプールの底が映るのが分かりやすい例です。

光ファイバーの場合、この全反射を利用して、光がコアの中を進むように設計されています。そのため光ファイバーはより早く、より遠くまで情報を伝達できるケーブルとして用いられているのです。

ただし同じ光ファイバーでも、コアやクラッドの材質、モードによって光の屈折によるスピードが変わるため、使用環境や求める性能に適した光ファイバーを選ぶことが大切です。

光ファイバーの屈折率の設計

光ファイバーの種類ごとに、屈折率の設計を解説しましょう。

 

1.     ステップインデックス・マルチモード光ファイバー(SI)

SIはコア内の屈折率が一定の光ファイバーです。コア内の屈折率が一定に設計されているので、中心に近い光は直進し、コアの壁に反射した光はさらに反射を繰り返しながらコア内を進んでいきます。

そのため、伝搬された信号が一様に伝達されず、ゆがみが出やすいことが特徴です。結果的に高品質の情報伝達が行えなくなってしまうので、現在ではほとんど用いられていません。

 

2.     グレーデッドインデックス・マルチモード光ファイバー(GI)

GIは安価で接続が簡単であるため、家庭や企業でもっともよく用いられている光ファイバーのひとつです。

コア内の屈折率をなめらかに分布させることで、伝搬信号のゆがみが大幅に改善されました。中心に近い光は伝送距離が短くなるものの屈折率が高く、コアの壁に近い光は全反射するので距離は長くなるものの屈折率は低くなっています。

一方で、伝送損失がやや大きいという欠点もあります。

 

3.    汎用シングルモード光ファイバー(SM)

SMはコア内の屈折率が一定であるものの、コアの直径を小さくすることによりコア内を進むモードを1つにした光ファイバーです。

マルチモードではないのでコア内の伝搬信号のゆがみが出ず、しかも伝送損失を抑えることが可能です。より高品質で安定した通信が求められる場所や幹線網で用いられています。

 

4.    分散シフト・シングルモード光ファイバー(DSF)

DSFは長距離伝送に適している光ファイバーです。

伝送速度や伝送距離はSMとほぼ同じですが、損失が小さいという特徴があるので、より信頼性が求められる場所で用いられます。

 

5.    非零分散シフト・シングルモード光ファイバー(NZ-DSF)

NZ-DSFは超高速の長距離伝送に適した光ファイバーです。容量の大きな幹線用の光ファイバーとして用いられています。

 

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屈折率についてしっかり理解したうえで光ファイバーを選んだ方が、より高品質な通信が可能となります。屈折率によって伝送速度や伝送損失などが大きく変わることもあるため、ある程度の知識を持っておくと役立つでしょう。

より快適な通信を楽しむためにも、光ファイバーの屈折率の概要や設計について知っておくことをおすすめします。