光ファイバー技術は急速に進化を続けており、情報化時代において重要な役割を果たしています。信号伝送に使用される従来の光ファイバーを超えて、「特殊光ファイバー」と呼ばれる新しいクラスがゲームチェンジャーとして登場しています。これらのファイバーは、光通信における特殊部隊として機能し、信号処理、デバイス相互接続、その他の特殊用途において、ユニークで重要な機能を果たしています。これらの特殊ファイバーがこれほど優れている理由は何でしょうか。また、光通信の未来をどのように変えるのでしょうか？この記事では、いくつかの代表的な特殊ファイバーを検証し、その技術的原理、用途、課題を探ります。
標準的なシングルモードファイバー（SMF）が主流の光伝送システムでは、色分散が大きな課題となります。分散は光パルスの広がりを引き起こし、信号品質を劣化させ、伝送距離と速度を制限します。分散補償ファイバー（DCF）は、この問題に対する効果的なソリューションを提供します。DCFの主な特徴は、1550 nm波長帯域において大きな負の分散値を持つことであり、標準SMFで発生する正の分散を補償します。
具体的には、DCFは通常、約D ≈ -95 ps/(nm·km)の分散係数を持ちます。これは、約14 kmのDCFが80 kmの標準SMFの分散を補償できることを意味します。実際の用途では、DCFはシステムへの統合を容易にするために、分散補償モジュール（DCM）としてパッケージ化されることが一般的です。
ファイバーブラッググレーティング（FBG）などの他の分散補償技術と比較して、DCFは広い波長帯域、高い信頼性、非常に低い分散リップルという利点を提供します。これらは、波長分割多重（WDM）システムにとって不可欠です。さらに、DCFは分散スロープを補償するように設計できるため、広帯域WDMアプリケーションに最適です。
しかし、DCFには制限もあります。単位長あたりの分散値が限られているため、DCFは、大きな総分散補償が必要な場合に比較的高い減衰を示します。さらに、1550 nm波長帯域で負の分散を実現するために、DCFの実効コア面積は通常小さい（Aeff ≈ 15 μm²）であり、標準SMFの約5分の1です。これにより、DCFにおける非線形効果が大幅に強化され、DCFを組み込んだ測定デバイスを設計する際には考慮する必要があります。
理想的なシングルモードファイバーは、円形の断面を持ち、互いに直交する偏波状態と同一の伝搬定数を持つ2つの縮退モードを備えています。しかし、外部応力はファイバーに複屈折を誘起し、これらの縮退モードが異なる伝搬定数を発生させる原因となります。これらの2つの偏波モード間の光信号の分布は、光源とファイバー間の結合条件だけでなく、伝搬中のモード間のエネルギー結合にも依存します。これは通常ランダムなプロセスです。その結果、ファイバーをわずか数メートル伝搬させた後でも、出力信号の偏波状態は通常ランダム化されます。モード結合と出力偏波状態は、温度変化、機械的応力変化、微小曲げとマクロ曲げの両方など、外部からの外乱に非常に敏感です。
2つの直交偏波モード間のエネルギー結合を最小限に抑えるには、それらの伝搬定数の差を十分に大きくする必要があります。これは、ファイバークラッドに要素を追加して、コアに非対称応力を加えることによって実現されます。異なる材料の熱膨張係数により、ファイバー描画プロセス中にコアに一方向の応力を生成できます。応力印加部分（SAP）の形状に基づいて、PMファイバーは「パンダ」型または「蝶ネクタイ」型に分類されます。
PMファイバーは、本質的に、直交偏波モード間の結合を最小限に抑えるように設計された高複屈折ファイバーであることに注意することが重要です。ただし、PMファイバーが信号の偏波状態を維持するためには、入力信号の偏波がファイバーの遅相軸または高速軸のいずれかに一致している必要があります。そうでない場合、両方の縮退モードが励起され、それらの間のエネルギー結合が最小限であっても、それらの相対的な光学的位相は依然としてファイバーの乱れの影響を受け、出力偏波状態が維持されなくなります。
したがって、光システムでPMファイバーを使用する場合は、入力信号の偏波状態を慎重に調整することが重要です。そうしないと、出力偏波の安定性に関して、PMファイバーは標準的なシングルモードファイバーよりも性能が劣る可能性があります。PMファイバーのもう1つの課題は、それらを接続および融着することが難しいことです。2つのPMファイバーを接続する場合、それらの複屈折軸を完全に整合させる必要があります。位置ずれは、入力偏波の位置ずれと同じ問題を引き起こします。精密な軸回転と調整を提供するPMファイバー融着接続機は、その複雑さから、従来のファイバー融着接続機の5倍のコストがかかる可能性があります。
フォトニック結晶ファイバー（PCF）は、フォトニックバンドギャップファイバーとも呼ばれ、従来のファイバーとは根本的に異なる導波路メカニズムを備えた完全に新しいタイプのファイバーを表しています。PCFは通常、その断面に多数の周期的に分布したエアホールを備えており、「ホーリー」ファイバーというニックネームが付けられています。PCFの光導波メカニズムは、ファイバーの横方向のブラッグ共鳴効果に依存しており、その低損失伝送ウィンドウは、主にバンドギャップ構造の設計に依存しています。
大口径PCFは、非常に広い波長帯域（例：750〜1700 nm）にわたってシングルモード動作を可能にし、大きなコア面積を維持します。中空コアPCFと比較して、大口径PCFはより広い低損失ウィンドウを提供します。その非線形パラメータは標準SMFよりも低いですが、通常、中空コアPCFよりもはるかに高くなっています。
高非線形PCFは、非常に小さな固体コア断面を持ち、コア内で非常に高い電力密度を可能にします。たとえば、λ0 = 710 nmでのゼロ分散波長を持つ高非線形PCFは、コア直径が1.8 μmと小さく、非線形パラメータγ > 100 W−1 km−1（標準SMFの40倍）である可能性があります。このタイプのPCFは、パラメトリック増幅やスーパーコンティニューム生成などの非線形光信号処理アプリケーションで一般的に使用されています。
中空コアPCFは、光信号をエアコアを通して導きます。高屈折率の固体誘電体材料を必要とする従来の導波路とは異なり、PCFのクラッド内のフォトニックバンドギャップ構造は、伝搬する光波をエアコアに閉じ込める仮想ミラーとして機能します。ほとんどの中空コアPCFでは、光パワーの95％以上が空気を通過し、信号電力とガラス材料との相互作用を最小限に抑えます。空気の非線形性はシリカの約3桁低いため、中空コアPCFは非常に低い非線形性を示すことができ、高出力光信号の伝送に適しています。
ただし、PCFは2つの主な課題に直面しています。周期構造の強い共鳴効果により、信号エネルギーをエアコアに閉じ込めるため、比較的狭い伝送ウィンドウ（特に中空コアPCFの場合、通常約200 nm）と、主に製造上の欠陥が原因で発生する比較的高い減衰。エアホール壁の粗さ。PCFの巨大な空気/ガラス界面面積は、わずかな表面粗さでも大きな散乱損失を引き起こす可能性があることを意味します。その結果、PCFは依然として高価なハイエンドファイバータイプであり、主にキロメートルではなくメートル単位で販売されています。エアホールが表面処理、終端、接続、融着を複雑にするため、その脆弱性と取り扱いの難しさも、広範な採用をさらに制限しています。
最近、中空コアネストアンチレゾナントノードレスファイバー（HC-NANF）と呼ばれる特殊なタイプの中空コアPCFが、高速光伝送に有望であることが示されています。HC-NANFのコア構造は、中心エアコアの周りに配置された6対のネストされたシリカキャピラリーを備えています。このネストされた設計は、モード場をエアコアの中心領域に押し込み、シリカ材料との相互作用を減らし、潜在的に減衰を大幅に低減するのに役立ちます。キャピラリーの厚さ、直径、位置を適切に設計することで、HC-NANFの低損失帯域幅は、1100〜1600 nmの全波長帯域をカバーできます。改善された製造技術により、HC-NANFの減衰はすでに0.28 dB/kmに低減されています。最終的に、光場はシリカとの相互作用を最小限に抑えてエアコアを伝搬するため、製造技術がさらに向上すれば、固有損失は標準的な固体コアファイバーよりもはるかに低くなる可能性があります。
中空コアファイバーは、追加の利点を提供します。非線形性が無視できるため、非線形劣化の懸念なしに、より高い信号電力を可能にし、光信号は標準的な固体コアファイバーよりも約30％速く伝搬し、屈折率がn≈1.47からn≈1に低下するため、伝送遅延を削減するのに役立ちます。高速WDM伝送実験は、HC-NANFがWDM光システムおよびネットワークの現在のSMFの有望な代替品になる可能性があることを示唆しています。
プラスチック光ファイバー（POF）は、扱いやすく、低コストの代替品を提供します。POFコアは通常、一般的な樹脂であるPMMA（ポリメタクリル酸メチル）でできており、クラッドは通常、コアよりも屈折率の低いフッ素化ポリマーで構成されています。POFの断面設計は、シリカファイバーよりも柔軟性があり、さまざまなコアサイズとコア/クラッド比を可能にします。たとえば、大型POFでは、断面の95％が光伝送用のコアになる可能性があります。
POFの製造には、シリカベースのファイバーに不可欠な高価なMOCVDプロセスは必要なく、コスト削減に貢献します。シリカファイバーが電気通信を支配していますが、POFは、その手頃な価格と柔軟性により、コスト重視の分野で用途が増えています。POFの接続と設置コストは特に低く、ファイバー・トゥ・ザ・ホームアプリケーションにとって魅力的です。
ただし、POFの伝送損失は約0.25 dB/mであり、シリカファイバーよりもほぼ3桁高いため、長距離光伝送はできません。ほとんどのPOFはマルチモードであり、ホームネットワーク、光相互接続、自動車ネットワーク、柔軟な照明/計装ソリューションなどの低速、短距離アプリケーションに限定されています。
光ファイバー技術は急速に進化を続けており、情報化時代において重要な役割を果たしています。信号伝送に使用される従来の光ファイバーを超えて、「特殊光ファイバー」と呼ばれる新しいクラスがゲームチェンジャーとして登場しています。これらのファイバーは、光通信における特殊部隊として機能し、信号処理、デバイス相互接続、その他の特殊用途において、ユニークで重要な機能を果たしています。これらの特殊ファイバーがこれほど優れている理由は何でしょうか。また、光通信の未来をどのように変えるのでしょうか？この記事では、いくつかの代表的な特殊ファイバーを検証し、その技術的原理、用途、課題を探ります。
標準的なシングルモードファイバー（SMF）が主流の光伝送システムでは、色分散が大きな課題となります。分散は光パルスの広がりを引き起こし、信号品質を劣化させ、伝送距離と速度を制限します。分散補償ファイバー（DCF）は、この問題に対する効果的なソリューションを提供します。DCFの主な特徴は、1550 nm波長帯域において大きな負の分散値を持つことであり、標準SMFで発生する正の分散を補償します。
具体的には、DCFは通常、約D ≈ -95 ps/(nm·km)の分散係数を持ちます。これは、約14 kmのDCFが80 kmの標準SMFの分散を補償できることを意味します。実際の用途では、DCFはシステムへの統合を容易にするために、分散補償モジュール（DCM）としてパッケージ化されることが一般的です。
ファイバーブラッググレーティング（FBG）などの他の分散補償技術と比較して、DCFは広い波長帯域、高い信頼性、非常に低い分散リップルという利点を提供します。これらは、波長分割多重（WDM）システムにとって不可欠です。さらに、DCFは分散スロープを補償するように設計できるため、広帯域WDMアプリケーションに最適です。
しかし、DCFには制限もあります。単位長あたりの分散値が限られているため、DCFは、大きな総分散補償が必要な場合に比較的高い減衰を示します。さらに、1550 nm波長帯域で負の分散を実現するために、DCFの実効コア面積は通常小さい（Aeff ≈ 15 μm²）であり、標準SMFの約5分の1です。これにより、DCFにおける非線形効果が大幅に強化され、DCFを組み込んだ測定デバイスを設計する際には考慮する必要があります。
理想的なシングルモードファイバーは、円形の断面を持ち、互いに直交する偏波状態と同一の伝搬定数を持つ2つの縮退モードを備えています。しかし、外部応力はファイバーに複屈折を誘起し、これらの縮退モードが異なる伝搬定数を発生させる原因となります。これらの2つの偏波モード間の光信号の分布は、光源とファイバー間の結合条件だけでなく、伝搬中のモード間のエネルギー結合にも依存します。これは通常ランダムなプロセスです。その結果、ファイバーをわずか数メートル伝搬させた後でも、出力信号の偏波状態は通常ランダム化されます。モード結合と出力偏波状態は、温度変化、機械的応力変化、微小曲げとマクロ曲げの両方など、外部からの外乱に非常に敏感です。
2つの直交偏波モード間のエネルギー結合を最小限に抑えるには、それらの伝搬定数の差を十分に大きくする必要があります。これは、ファイバークラッドに要素を追加して、コアに非対称応力を加えることによって実現されます。異なる材料の熱膨張係数により、ファイバー描画プロセス中にコアに一方向の応力を生成できます。応力印加部分（SAP）の形状に基づいて、PMファイバーは「パンダ」型または「蝶ネクタイ」型に分類されます。
PMファイバーは、本質的に、直交偏波モード間の結合を最小限に抑えるように設計された高複屈折ファイバーであることに注意することが重要です。ただし、PMファイバーが信号の偏波状態を維持するためには、入力信号の偏波がファイバーの遅相軸または高速軸のいずれかに一致している必要があります。そうでない場合、両方の縮退モードが励起され、それらの間のエネルギー結合が最小限であっても、それらの相対的な光学的位相は依然としてファイバーの乱れの影響を受け、出力偏波状態が維持されなくなります。
したがって、光システムでPMファイバーを使用する場合は、入力信号の偏波状態を慎重に調整することが重要です。そうしないと、出力偏波の安定性に関して、PMファイバーは標準的なシングルモードファイバーよりも性能が劣る可能性があります。PMファイバーのもう1つの課題は、それらを接続および融着することが難しいことです。2つのPMファイバーを接続する場合、それらの複屈折軸を完全に整合させる必要があります。位置ずれは、入力偏波の位置ずれと同じ問題を引き起こします。精密な軸回転と調整を提供するPMファイバー融着接続機は、その複雑さから、従来のファイバー融着接続機の5倍のコストがかかる可能性があります。
フォトニック結晶ファイバー（PCF）は、フォトニックバンドギャップファイバーとも呼ばれ、従来のファイバーとは根本的に異なる導波路メカニズムを備えた完全に新しいタイプのファイバーを表しています。PCFは通常、その断面に多数の周期的に分布したエアホールを備えており、「ホーリー」ファイバーというニックネームが付けられています。PCFの光導波メカニズムは、ファイバーの横方向のブラッグ共鳴効果に依存しており、その低損失伝送ウィンドウは、主にバンドギャップ構造の設計に依存しています。
大口径PCFは、非常に広い波長帯域（例：750〜1700 nm）にわたってシングルモード動作を可能にし、大きなコア面積を維持します。中空コアPCFと比較して、大口径PCFはより広い低損失ウィンドウを提供します。その非線形パラメータは標準SMFよりも低いですが、通常、中空コアPCFよりもはるかに高くなっています。
高非線形PCFは、非常に小さな固体コア断面を持ち、コア内で非常に高い電力密度を可能にします。たとえば、λ0 = 710 nmでのゼロ分散波長を持つ高非線形PCFは、コア直径が1.8 μmと小さく、非線形パラメータγ > 100 W−1 km−1（標準SMFの40倍）である可能性があります。このタイプのPCFは、パラメトリック増幅やスーパーコンティニューム生成などの非線形光信号処理アプリケーションで一般的に使用されています。
中空コアPCFは、光信号をエアコアを通して導きます。高屈折率の固体誘電体材料を必要とする従来の導波路とは異なり、PCFのクラッド内のフォトニックバンドギャップ構造は、伝搬する光波をエアコアに閉じ込める仮想ミラーとして機能します。ほとんどの中空コアPCFでは、光パワーの95％以上が空気を通過し、信号電力とガラス材料との相互作用を最小限に抑えます。空気の非線形性はシリカの約3桁低いため、中空コアPCFは非常に低い非線形性を示すことができ、高出力光信号の伝送に適しています。
ただし、PCFは2つの主な課題に直面しています。周期構造の強い共鳴効果により、信号エネルギーをエアコアに閉じ込めるため、比較的狭い伝送ウィンドウ（特に中空コアPCFの場合、通常約200 nm）と、主に製造上の欠陥が原因で発生する比較的高い減衰。エアホール壁の粗さ。PCFの巨大な空気/ガラス界面面積は、わずかな表面粗さでも大きな散乱損失を引き起こす可能性があることを意味します。その結果、PCFは依然として高価なハイエンドファイバータイプであり、主にキロメートルではなくメートル単位で販売されています。エアホールが表面処理、終端、接続、融着を複雑にするため、その脆弱性と取り扱いの難しさも、広範な採用をさらに制限しています。
最近、中空コアネストアンチレゾナントノードレスファイバー（HC-NANF）と呼ばれる特殊なタイプの中空コアPCFが、高速光伝送に有望であることが示されています。HC-NANFのコア構造は、中心エアコアの周りに配置された6対のネストされたシリカキャピラリーを備えています。このネストされた設計は、モード場をエアコアの中心領域に押し込み、シリカ材料との相互作用を減らし、潜在的に減衰を大幅に低減するのに役立ちます。キャピラリーの厚さ、直径、位置を適切に設計することで、HC-NANFの低損失帯域幅は、1100〜1600 nmの全波長帯域をカバーできます。改善された製造技術により、HC-NANFの減衰はすでに0.28 dB/kmに低減されています。最終的に、光場はシリカとの相互作用を最小限に抑えてエアコアを伝搬するため、製造技術がさらに向上すれば、固有損失は標準的な固体コアファイバーよりもはるかに低くなる可能性があります。
中空コアファイバーは、追加の利点を提供します。非線形性が無視できるため、非線形劣化の懸念なしに、より高い信号電力を可能にし、光信号は標準的な固体コアファイバーよりも約30％速く伝搬し、屈折率がn≈1.47からn≈1に低下するため、伝送遅延を削減するのに役立ちます。高速WDM伝送実験は、HC-NANFがWDM光システムおよびネットワークの現在のSMFの有望な代替品になる可能性があることを示唆しています。
プラスチック光ファイバー（POF）は、扱いやすく、低コストの代替品を提供します。POFコアは通常、一般的な樹脂であるPMMA（ポリメタクリル酸メチル）でできており、クラッドは通常、コアよりも屈折率の低いフッ素化ポリマーで構成されています。POFの断面設計は、シリカファイバーよりも柔軟性があり、さまざまなコアサイズとコア/クラッド比を可能にします。たとえば、大型POFでは、断面の95％が光伝送用のコアになる可能性があります。
POFの製造には、シリカベースのファイバーに不可欠な高価なMOCVDプロセスは必要なく、コスト削減に貢献します。シリカファイバーが電気通信を支配していますが、POFは、その手頃な価格と柔軟性により、コスト重視の分野で用途が増えています。POFの接続と設置コストは特に低く、ファイバー・トゥ・ザ・ホームアプリケーションにとって魅力的です。
ただし、POFの伝送損失は約0.25 dB/mであり、シリカファイバーよりもほぼ3桁高いため、長距離光伝送はできません。ほとんどのPOFはマルチモードであり、ホームネットワーク、光相互接続、自動車ネットワーク、柔軟な照明/計装ソリューションなどの低速、短距離アプリケーションに限定されています。
