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光ファイバー(構造・種類・材質・用途)とは

■光ファイバーとは

光ファイバーとは、光信号を伝送するための非常に細い線で、主に光通信の伝送路として使用されます。コアと呼ばれる屈折率の高い中心部をクラッドと呼ばれる屈折率の低い層で覆った同心円状になっており、光はコアの中に閉じ込められて伝わっていきます。最近では、光通信の他にセンサー、ファイバレーザ、ハイパワー光ガイドなど様々な用途で使われるようになってきています。それに伴い、ファイバー素材も石英ガラスだけでなくフッ化物ガラスカルコゲナイドガラス、プラスチックなど多様になってきています。また、フォトニック結晶ファイバダブルクラッドファイバマルチコアファイバなど新しい構造の光ファイバーも出現しています。ここでは、現在使われている光ファイバーの構造、種類、材質、用途についてご紹介いたします。


■光ファイバーの構造

光ファイバーの基本的な構造は屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドが覆って光をコアに閉じこめて伝搬させるようになっていますが、詳しく見るといろんな種類があります。図1に構造別に分類した光ファイバーの種類を示します。

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図1. 光ファイバーの構造の種類

●マルチモードファイバ(MMF)

マルチモードファイバは、ファイバー内を光が進むときに複数の進み方がある光ファイバーです。SI 型(ステップインデックス型)ファイバとGI 型(グレーデッドインデックス型)ファイバの2種類があります。

SI(ステップインデックス)型MMF

SI 型MMFではコア内の光はクラッドで反射されながら進みます。ファイバーへの光の入射角度が異なると光の進み方が変わります。高角で入射した光は低角で入射した光より同じファイバー長を進むのに反射回数が多いため多く時間がかかります。その結果、パルス信号光を入射した場合、光が進むにつれパルス光の幅が広がり前後のパルスが重なってしまうので通信に使われることはありません。一方、コア径を大きくできるので光のパワーを伝送する用途に使われます。(図2.参照)

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図2.SI型(ステップインデックス型)マルチモードファイバ

 

GI(グレートインデックス)型MMF

GI 型MMFはパルスが広がるSI 型MMFの欠点を改良した光ファイバーです。コアの屈折率が一様ではなく、中心が高く外側に行くほど低くなっています。中心に近いほど光の進む距離は短いのですが、屈折率が高いので進む速度が遅くなります。逆に、中心を外れるほど進む距離は長いのですが、屈折率が低いので進む速度が速くなります。この結果、何れの進み方をする光も同じファイバー長をほぼ同時間で進むのでパルス光の広がりが小さくなり、短距離通信に使うことができます。(図3.参照)

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図3.GI 型(グレーデッドインデックス型)マルチモードファイバ

 

●シングルモードファイバ(SMF)

シングルモードファイバはSI 型MMFのコア径を小さくした構造をしており、通信線路として最も一般的に使われている光ファイバーです。コア径が十分小さくなると光の進み方は直線的に進む一つだけになります。従って、MMFのような光の進み方が原因のパルス広がりがなく、多くのパルス信号を送ることができます。(図4.参照)

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図4.シングルモードファイバ

 

●ダブルクラッドファイバ(DCF)

ダブルクラッドファイバはハイパワーのファイバレーザや光アンプの増幅媒体としてよく使われる光ファイバーで、クラッドが二つあり、光はコアと内側の第1クラッドの両方を伝搬します。コア径を小さくすればコアを進む光はシングルモードとなり、大きくすればマルチモードとなります。(図5.参照)

ダブルクラッドファイバの使用法については「ファイバレーザとは」をご参照ください。

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図5.ダブルクラッドファイバ

 

●フォトニック結晶ファイバ(PCF)

フォトニック結晶ファイバは、コアの周囲にホール(空孔部)を幾何学的に配置した構造になっています。空孔部の屈折率はほぼ1(空気の屈折率が約1なので)で他の部分(石英の屈折率は1.46)に比べ非常に小さくなっています。この特殊な構造のため大きなコア(MFD)でもシングルモード伝搬できたり、非常に小さなコアに光を閉じこめて大きな非線形効果を得ることができます。(図6.参照)

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図6.フォトニック結晶ファイバ

 

 

■光ファイバーを使用するうえで重要なパラメータ

カットオフ波長 → 詳しい解説はこちらをご覧ください

あるモードが光ファイバを伝送していけるか遮断されるかの境界となる波長のことです。シングルモード光ファイバでは、伝送波長がカットオフ波長より短くなると基本モードに加え高次モードも伝送できるようになります。このため、カットオフ波長はシングルモード光ファイバの特性を表す重要な指標として使用されます。

光ファイバーの開口数(NA) → 詳しい解説はこちらをご覧ください

光ファイバに伝搬可能な光(伝搬モード)を入射させる(あるいは、光ファイバから出射する)ことができる最大の入出射角を表します。主にマルチモードファイバで使われ、入射させやすさや伝搬モード数、曲げ損失などを表す指標の一つです。

モードフィールド径(MFD) → 詳しい解説はこちらをご覧ください

シングルモード光ファイバ内を伝搬する光の断面方向の光電力分布の広がりを表す指標で、光信号がコアからどのくらいクラッド側に漏れ出して伝わっているかを表しています。そのため、MFDは通常コア径よりも若干大きくなります。また、MFDから光ファイバーを接続する際の接続損失を求められるので、接続のしやすさを評価する指標としても使われます。

 

■光ファイバーの材質による分類

現在では、石英ファイバ以外の材質の光ファイバーも使われています。図7に材質別ファイバーを示します。材質による最も大きな違いは伝送できる光の波長です。図8は材質による伝送波長の違いを示しています。使用したい波長によりファイバー材質を選ぶ必要があります。また、同じ波長帯に複数のファイバーがある場合は、使用目的、性能、価格などから最適な種類を選ぶことが必要です。

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図7. 光ファイバーの材質による分類

 

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図8. 各種材質ファイバの伝送できる波長

 

■光ファイバーの用途

現在では、様々な構造や材質の光ファイバーがありますが、これらはどのように使われているのでしょうか。表1は各種ファイバの主な利用方法です。

光ファイバの利用分野 ファイバ材質 ファイバ構造
光通信 伝送路 石英ガラス、プラスチック シングルモード、GI 型マルチモード
光アンプ 石英ガラス、ふっ化物ガラス シングルモード、ダブルクラッド
光部品 石英ガラス シングルモード、GI 型マルチモード
センサ 歪み、温度、ジャイロ 石英ガラス シングルモード
ファイバレーザ 加工、計測 石英ガラス、ふっ化物ガラス ダブルクラッド、シングルモード
光パワー伝送 レーザ光のガイド 石英ガラス、ふっ化物ガラス SI 型マルチモード
その他 赤外分光 カルコゲナイドガラス、ふっ化物ガラス SI 型マルチモード
SC光源発生 石英ガラス フォトニック結晶ファイバ
照射器 多成分ガラス、石英ガラス SI 型マルチモード

表1.各種ファイバーの利用方法

[用途別解説]

通信用伝送路:光ファイバーの主用途は光通信システム(図9.参照)における伝送路で、多くの場合は大容量の信号を遠方まで送れる石英シングルモードファイバが使われます。距離が短い場合は石英ガラスやプラスチックのGI 型ファイバも使われます。

通信用光アンプ:光アンプは光信号を増幅する装置で、心臓部であるゲイン媒体にはコアに希土類元素をドープしたシングルモードファイバが使われます。ハイパワーアンプにはダブルクラッドファイバが使われます。また、通信波長帯のうち、C, Lバンド用には石英ファイバ、O, Sバンド用にはふっ化物ファイバが使われます。

通信用光部品:光ファイバーを加工して作った部品でファイバカプラファイバブラッググレーティング(FBG)が代表例です。光部品は光送受信機や光アンプの中にたくさん使われています。

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図9.光通信システム

センサ:光ファイバセンサシステムとしてよく知られているものにFBGセンサシステム(図10.参照)があります。このシステムでは、歪みや、温度変化をFBGから戻る反射光の波長変化として検出します。その他、光ファイバー自体をセンサとして使用する分布型歪み、温度センサやファイバジャイロなどがあります。

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図10.FBGセンサシステム

ファイバレーザ:ファイバレーザは固体レーザの一種で希土類元素をドープした光ファイバを増幅媒体に用います。Ybドープファイバを用いた1μm帯ファイバレーザは、マーキング、穴あけなどの精密加工に広く使われています。ハイパワーに適したラージモードエリア(LMA)ファイバーのダブルクラッドファイバなどが利用されます。

光パワー伝送:ハイパワーのレーザ光を照射物に導くガイドとしてファイバが利用されます。強い光を入射するのでコア径の大きいSI型マルチモードファイバが使われます。石英ファイバの他、赤外レーザ用にふっ化物ファイバも使われています。

その他:赤外光も伝送できるカルコゲナイドファイバやふっ化物ファイバは赤外分光に利用されています。非常に小さなエリアに光を閉じこめられるフォトニック結晶ファイバは非線形効果を利用視したSC光源の発生に、安価な多成分ファイバはランプ光のガイド用にバンドルで使われます。

 

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