光ファイバー: 基本を理解する

光ファイバーの開発と実装ほど通信の世界を変えたものはありません。この記事では、このテクノロジーを使用するために必要な基本原則を説明します。
 

エンジニアリングおよびマーケティングスタッフ

光ファイバーはガラスまたはプラスチックから作られています。ほとんどは人間の髪の毛の直径とほぼ同じで、長さは何マイルにもなる場合があります。光はファイバーの中心に沿って一方の端からもう一方の端まで伝送され、信号が加えられる場合があります。光ファイバー システムは、多くの用途において金属導体よりも優れています。最大の利点は帯域幅です。光の波長により、金属導体 (同軸導体であっても) よりもはるかに多くの情報を含む信号を送信することができます。その他の利点は次のとおりです。

• 電気的絶縁 - 光ファイバーには接地接続が必要ありません。送信機と受信機は両方とも互いに絶縁されているため、グランド ループの問題はありません。また、火花や感電の危険もありません。

• EMI からの解放 - 光ファイバーは電磁干渉 (EMI) の影響を受けず、他の干渉を引き起こすような放射線自体を放射しません。

• 低電力損失 - これにより、より長いケーブル配線が可能になり、リピーターアンプの数が減ります。

• 軽量かつ小型 - ファイバーは、同等の信号伝送能力を持つ金属導体よりも軽量で、必要なスペースも小さくなります。

銅線は約13倍の重さがあります。また、ファイバーは設置が容易で、必要なダクトスペースも少なくなります。

アプリケーション

光ファイバーの主な応用分野には次のようなものがあります。

• 通信 - 音声、データ、ビデオ伝送は光ファイバーの最も一般的な用途であり、次のような用途があります。

– 電気通信
– ローカルエリアネットワーク（LAN）
– 産業用制御システム
– アビオニクスシステム
– 軍事指揮、制御、および通信システム

• センシング - 光ファイバーを使用して、遠隔光源から検出器に光を送り、圧力、温度、またはスペクトル情報を取得できます。このファイバーは、ひずみ、圧力、電気抵抗、pH などのさまざまな環境影響を測定するためのトランスデューサーとして直接使用することもできます。環境の変化は、ファイバーの他端で検出できる形で光の強度、位相、偏光に影響を与えます。

• 電力供給 - 光ファイバーは、レーザー切断、溶接、マーキング、穴あけなどの作業に非常に高いレベルの電力を供給できます。

• 照明 - 一端に光源を備えたファイバーの束を集めて、内視鏡と組み合わせて、たとえば人体の内部など、手の届きにくい領域を照明できます。また、表示サインとして、または単に装飾照明として使用することもできます。

 

図1. 光ファイバーはコア、クラッド、コーティングで構成されています.

 

工事

光ファイバーは、コア、クラッド、外側コーティングという 3 つの基本的な同心要素で構成されています (図 1)。

コアは通常、ガラスまたはプラスチックでできていますが、必要な透過スペクトルに応じて他の材料が使用されることもあります。

コアはファイバーの光を透過する部分です。クラッドは通常、コアと同じ材料でできていますが、屈折率がわずかに低くなります (通常は約 1% 低くなります)。この屈折率の差により、ファイバの長さに沿った屈折率境界で全内部反射が発生するため、光はファイバ内を伝播し、側壁から漏れることはありません。

 

 

図2。ある材料から屈折率の異なる別の材料へ光線が通過すると、界面で曲げられるか屈折します。

コーティングは通常、物理的環境からファイバーを保護するためにプラスチック材料の 1 つまたは複数のコーティングで構成されます。場合によっては、さらなる物理的保護のためにコーティングに金属シースが追加されることがあります。

光ファイバーは通常、コア、クラッド、およびコーティングの外径として与えられるサイズによって指定されます。たとえば、62.5/125/250 は、直径 62.5-μm のコア、直径 125-μm のクラッド、および直径 0.{{8} のファイバを指します。直径}mmの外側コーティング。

 

 

Photonics Marketpla には 81 社の光ファイバーのサプライヤーがあります。

 

原則

光学材料は、n と呼ばれる屈折率によって特徴付けられます。材料の屈折率は、真空中の光の速度と材料内の光の速度の比です。光ビームが、ある材料から異なる屈折率を持つ別の材料に通過するとき、ビームは界面で曲がります (または屈折します) (図 2)。

屈折はスネルの法則で説明されます。

どこn_Iそしてn_Rはビームが屈折する材料の屈折率であり、IそしてRはビームの入射角と屈折角です。入射角が界面の臨界角（光ファイバーの場合は通常約 82 度）より大きい場合、光は全反射として知られるプロセスによって損失なく反射して入射媒体に戻ります（図 3）。

図3.全反射により、光はファイバーのコア内に留まります。

 

全内部反射のビデオ定義をご覧ください。

モード

光がファイバーを伝播するとき（マイクロ波が導波路を伝播するのと同じように）、すべての反射境界で位相シフトが発生します。光ファイバーには、伝送を強化する建設的な（同相、したがって付加的な）位相シフトを生成する、有限の離散的な数のパス（モードとして知られています）が存在します。ビームが長さに沿って移動するときに各モードがファイバ軸に対して異なる角度で発生するため、各モードは入力から出力までファイバ内を異なる長さで移動します。 1 つのモード (0 次モード) だけが、側壁からの反射なしにファイバーの長さを伝播します。これはシングルモード ファイバーとして知られています。特定の光ファイバー内を伝播できるモードの実際の数は、光の波長とファイバーのコアの直径と屈折率によって決まります。
 

光ファイバーにおける減衰の原因はいくつかあります。

 

• レイリー散乱 - コア材料の屈折率の微視的スケールの変化は、ビーム内にかなりの散乱を引き起こし、光パワーの大幅な損失につながる可能性があります。レイリー散乱は波長に依存し、より長い波長ではそれほど重要ではありません。これは現代の光ファイバーにおける最も重要な損失メカニズムであり、一般に発生する損失の最大 90% を占めます。

 

• 吸収 - 現在の製造方法では、不純物 (最も顕著なのは繊維内の水分) によって引き起こされる吸収を非常に低いレベルに抑えています。ファイバーの伝送帯域内では、吸収損失はわずかです。

• 曲げ - 製造方法により、ファイバーの形状に微細な曲がりが生じる場合があります。場合によっては、これらの曲がりが大きくなり、コア内の光が臨界角未満でコア/クラッド界面に衝突し、光がクラッド材料内で失われることがあります。これは、ファイバが狭い半径 (たとえば、数センチメートル未満) で曲げられた場合にも発生する可能性があります。曲げ感度は通常、特定の曲げ半径と波長に対する dB/km 損失で表されます。

 

 

図4.開口数は、光線がファイバーに入る角度とファイバーのコアの直径によって決まります。

 

繊維の種類

光ファイバには基本的に、シングル モード、マルチモード グレーデッド インデックス、およびマルチモード ステップ インデックスの 3 つのタイプがあります。それらは、光がファイバーを伝播する方法によって特徴付けられ、光の波長とファイバーの機械的形状の両方に依存します。光がどのように伝播するかの例を図 5 に示します。

 

 

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