光ファイバーの説明：波長が光伝送を可能にする仕組み

光ファイバー ケーブルが虹のようなさまざまな色を通じて情報を伝送でき、それぞれの色相が個別のデータ チャネルを表すことを想像してみてください。光ファイバー通信では、波長がこの「色」の役割を果たし、光信号の特性や伝送効率が決まります。 「波長」というと難解な用語のように聞こえる人も多いかもしれませんが、実際には光ファイバー技術を理解するための鍵となります。この記事では、光ファイバーの波長の概念、その基礎となる原理、および実際のアプリケーションにおける重要な役割をわかりやすく説明します。

光は私たちの目が可視光として認識するものをはるかに超えて広がります。これは、高エネルギー X 線や紫外線から、身近な電波やマイクロ波、そして最後には光ファイバー通信で使用される赤外線に至るまで、さまざまな種類の放射線を含む、より広範な電磁スペクトルの一部を形成します。これらはすべて基本的に電磁放射であり、主にその波長によって区別されます。電磁スペクトルは、さまざまな「色」に対応するさまざまな波長を備えた広大なカラーパレットとして視覚化できます。光ファイバー通信では、このパレットから特定の「色」を戦略的に選択して情報を伝達します。

電磁放射は通常、波長または周波数のいずれかを使用して説明されます。波長は、空間を伝播する波の連続する山または谷の間の距離を指し、通常はナノメートル (nm、10 億分の 1 メートル) またはマイクロメートル (μm、100 万分の 1 メートル) で測定されます。周波数は、波が 1 秒間に何回振動するかをヘルツ (Hz) 単位で表します。波長と周波数は逆の関係にあり、より短い波長はより高い周波数に対応し、より長い波長はより低い周波数を示します。光、紫外線、X 線などのより短い波長の場合、波長が好ましい記述子です。電波、テレビ信号、マイクロ波などの長い波長では、周波数がより一般的に使用されます。

最もよく知られている光の形態は、もちろん可視光です。人間の目は、約 400 nm (青/紫光) から 700 nm (赤色光) の範囲の波長を検出できます。この範囲は太陽からの最も強い放射線バンドと一致しており、私たちの視覚システムが太陽光の最も強い波長を知覚するように進化したことを示唆しています。これは生物学的適応のエレガントな例です。

光ファイバー通信は可視光ではなく、より長い波長 (通常は約 850 nm、1300 nm、1550 nm) の赤外線に依存します。赤外光が選択されるのは、光ファイバーにおける減衰が少ないためです。ファイバー内の減衰は、吸収と散乱という 2 つの主な要因によって発生します。

• 吸収：光ファイバーケーブル内の微量の水は特定の波長の光を吸収し、「吸水ピーク」を引き起こします。光ファイバー システムは、信号の整合性を維持するために、これらのピークを回避する必要があります。
• 散乱：光がファイバー中を伝わると、ガラス内の原子または分子と衝突し、散乱が発生します。散乱強度は波長の 4 乗に反比例し、波長が長いほど散乱が少なくなります。この原理は、空が青く見える理由も説明します。青の波長が短いほど、大気中でより容易に散乱します。

信号損失を最小限に抑えるために、光ファイバー システムは赤外線スペクトルで動作し、水の吸収ピークを回避し、850 nm、1300 nm、1550 nm の 3 つの標準波長に落ち着きます。幸いなことに、レーザー ダイオード (または LED) と光検出器は、これらの特定の波長で効率的に機能するように設計できます。

より長い波長の方が減衰が少ないのであれば、なぜそれを使用しないのでしょうか?答えは、赤外線の波長が熱放射に近いことにあります。私たちが電気ストーブの鈍い赤い輝きを見てその熱を感じるのと同じように、波長が長くなると周囲の熱ノイズの影響を受けやすくなり、信号伝送に干渉する可能性があります。さらに、他の吸水ピークが赤外領域に存在します。

ガラスファイバーとは異なり、プラスチック光ファイバー (POF) は、より短い波長での吸収が低くなります。したがって、POF では通常 650 nm の赤色光が使用されますが、グラスファイバー送信機を使用した短距離用途では 850 nm も依然として使用可能です。

光ファイバー ネットワークでは、波長は伝送だけでなくテストにも重要です。ケーブルの減衰は、信号伝送に使用されるのと同じ波長で測定する必要があります。同様に、光パワー メーターでは、ネットワーク パフォーマンスを正確に評価するために、これらの特定の波長での校正が必要です。

米国国立標準技術研究所 (NIST) は、850 nm、1300 nm、1550 nm の 3 つの主要な光ファイバー波長での光パワー メーターの校正サービスを提供しています。通常、マルチモード ファイバーは 850 nm と 1300 nm 用に設計されていますが、シングルモード ファイバーは 1310 nm と 1550 nm 用に最適化されています。 1300 nm と 1310 nm の間のわずかな相違は、AT&T によって確立された歴史的な用語慣例に由来しており、シングルモード ファイバーでは 1310 nm レーザーが使用され、マルチモード ファイバーでは 1300 nm LED が使用されています。

最新の電気通信システムは、Dense WDM (DWDM) や Coarse WDM (CWDM) などの波長分割多重 (WDM) 技術を広く採用しています。 WDM を使用すると、1 本のファイバーで複数の「色」の光を同時に伝送でき、各色が独立したデータ チャネルを表します。 WDM システムでは、レーザーは異なる波長に正確に調整され、容量を最大化するために十分に近い間隔で配置されますが、干渉を防ぐために十分に離されます。これは、放送局が異なる周波数で運用される FM ラジオ放送に似ています。 WDM は、1260 nm ～ 1670 nm の波長範囲全体を特定の帯域に分割して利用します。

光ファイバーの重要だが見落とされがちな側面は安全性です。ほとんどの光ファイバー システムは可視スペクトル外で動作するため、通常、透過光は肉眼では見えません。信号をチェックするためにファイバーの端を直接覗いてはいけません。CATV や DWDM などの特定の高出力システムは、危険な放射線を放出する可能性があります。ファイバー接続を取り扱う前に、必ず校正済みメーターを使用して光パワー レベルを確認してください。

光ファイバーの波長を理解することは、光通信技術を習得するための基礎です。光ファイバーの「カラーコード」を解明することで、専門家はネットワーク設計を最適化し、効果的にトラブルシューティングを行い、データ伝送能力の限界を押し広げることができます。