Only Connect: 光ファイバーのガイド | 吉林省パッチケーブルグループ

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ご存知かもしれませんが、私は光ファイバーの大ファンです。その主な理由は、帯域幅が膨大で、その用途がほぼ無限にあるからです。あ、錆びないですよ！

今週は、FOA (Fiber Optic Association) の友人による光ファイバーのガイドをお届けすることにしました。

光ファイバ

光ファイバーは、非常に純粋なガラスまたはプラスチックファイバーの髪の毛ほどの細い糸に光信号を送信することによって機能する通信媒体です。光は「コア」と呼ばれるファイバーの中心に「導かれ」ます。コアは「クラッド」と呼ばれる光学材料で囲まれており、「全内部反射」と呼ばれる光学技術を使用して光をコア内に閉じ込めます。繊維を湿気や物理的損傷から保護するために、繊維自体が「緩衝剤」でコーティングされています。バッファは、終端または接続のためにファイバから剥がされるものです。

コアとクラッドは通常超高純度ガラスでできていますが、一部のファイバはすべてプラスチックであるか、コアがガラスでクラッドがプラスチックである場合もあります。コアは、材料内の光の速度の尺度である光学パラメータである屈折率がクラッドよりも高くなるように設計されており、これにより「全反射」が発生して、特定の角度までコア内に光が閉じ込められます。、ファイバーの「開口数」を定義します。

ガラス繊維は、湿気やその他の損傷から保護する「一次緩衝コーティング」と呼ばれる保護プラスチック被覆でコーティングされています。「ジャケット」と呼ばれる外側の保護カバーの内側に繊維と強度部材を備えた「ケーブル」によって、さらなる保護が提供されます。

ファイバータイプ: マルチモードおよびシングルモード、コア/クラッドサイズ

ファイバーにはマルチモードとシングルモードの 2 種類があります。これらのカテゴリ内で、ファイバは、ミクロン（1 メートルの 100 万分の 1）で表されるコアとクラッドの直径によって識別されます（たとえば、50/125 ミクロンマルチモードファイバ）。ほとんどのファイバの外径は 125 ミクロンで、1 ミクロンは直径の 100 万分の 1 です。メートル、125 ミクロンは 0.005 インチで、一般的な人間の髪の毛より少し大きいです。

マルチモードファイバーでは、モードと呼ばれる多くの光線でコア内を進む光があります。より大きなコア (ほとんどの場合 50 または 62.5 ミクロン) があり、複数のモード (光線) の伝送をサポートします。マルチモードは通常、低速のローカルエリアネットワーク (LAN) では 850 および 1300nm (下記を参照) の波長の LED 光源で使用され、ギガビット/秒以上で動作するネットワークでは 850 (VCSEL) と 1310nm (ファブリペローレーザー) のレーザーで使用されます。。

シングルモードファイバーのコアは非常に小さく、わずか約 9 ミクロンであるため、光は 1 つの光線 (モード) だけで伝わります。損失が低く、実質的に無限の帯域幅を備えているため、1300 および 1550nm のレーザー光源を使用した電話および CATV に使用されます。プラスチック光ファイバ (POF) は、大きなコア (約 1 mm) のファイバで、通常はステップインデックスであり、短くて低速のネットワークに使用されます。

PCS/HCS (プラスチックまたはハードクラッドシリカ、ガラスコア上のプラスチッククラッド) は、より小さなガラスコア (約 200 ミクロン) と薄いプラスチッククラッドを備えています。

ステップインデックスマルチモードは最初のファイバー設計でした。コア内を通過するさまざまなモードの異なる経路長によって分散が生じるため、減衰が高く、多くの用途には遅すぎます。ステップインデックスファイバは広く使用されていません。現在、ステップインデックス設計を使用しているのは、POF と PCS/HCS (プラスチックまたはハードクラッドシリカ、ガラスコア上のプラスチッククラッド) だけです。

グレーデッドインデックスマルチモードファイバは、コア内のガラスの組成の変化を利用して、モードの異なる光路長を補償します。ステップインデックスファイバーよりも数百倍の帯域幅 (最大約 2 ギガヘルツ) を提供します。 50/125 と 62.5/125 の 2 つのタイプが使用されており、数字はコア/クラッドの直径をミクロン単位で表します。

シングルモードファイバーはコアを非常に小さく縮小するため、光は 1 つの光線でのみ進むことができます。これにより、帯域幅がほぼ無限に増加しますが、実際には約 100,000 ギガヘルツに制限されますが、それでもかなりの帯域幅です。シングルモードファイバは、コアの有効サイズである「モードフィールド直径」として指定される 8 ～ 10 ミクロンのコア直径と、125 ミクロンのクラッド直径を持っています。

特殊ファイバーは、独自のファイバー性能仕様を必要とする用途向けに開発されました。エルビウムドープシングルモードファイバーはファイバー増幅器、つまり超長距離ネットワークで信号を再生するために使用されるデバイスに使用されます。ファイバーは、DWDM システムに適した波長の帯域幅、または波長分散を逆転するように最適化されています。これは繊維開発の活発な分野です。

サブミクロンの精度での光ファイバーの製造は、超高純度のガラスを製造し、それを人間の髪の毛ほどのサイズのストランドに引っ張るという興味深いプロセスです。このプロセスは、ファイバーとまったく同じ光学断面を持ち、数百倍も大きい大直径のガラスロッドであるプリフォームの製造から始まります。ロッドの端が加熱され、繊維の細いストランドがプリフォームから引き出され、大きなリールに巻き取られます。製造後、ファイバーはテストされ、ケーブルに加工されます。

繊維製造について詳しくはこちらをご覧ください。

繊維のサイズと種類

ファイバーにはシングルモードとマルチモードの 2 つのタイプがあります。特殊なアプリケーションで使用されるファイバーを除き、シングルモードファイバーは 1 つのサイズとタイプとして考えることができます。長距離通信ケーブルや海底ケーブルを扱う場合は、特殊なシングルモードファイバーを使用する必要がある場合があります。

すべての繊維の相対的なサイズ

コア/クラッドサイズの比較

マルチモードファイバーには当初、さまざまなネットワークやソースに最適化されたいくつかのサイズがありましたが、データ業界は 80 年代半ばに 62.5 コアファイバーで標準化しました (62.5/125 ファイバーには 62.5 ミクロンのコアと 125 ミクロンのクラッドがあります。現在は OM1 標準と呼ばれています)最近、ギガビットおよび 10 ギガビットのネットワークが広く使用されるようになり、古いファイバー設計が復活しました。 50/125 ファイバーは、シングルモードファイバーが利用可能になる前の 70 年代後半から通信アプリケーション用のレーザーで使用されていました。 50/125 ファイバー (OM2 標準) は、ギガビット LAN で使用されるレーザー光源により高い帯域幅を提供し、ギガビットリンクの長距離伝送を可能にします。現在、新しい OM3 またはレーザーに最適化された 50/125 ファイバーが、マルチモードアプリケーションに最適な選択肢であると考えられています。

ケーブル内のファイバーの種類を識別するために、TIA-598 でカバーされるケーブルジャケットの標準化されたカラーコードがあります。ケーブルとコネクタのカラーコードの詳細は次のとおりです。

ファイバのタイプと代表的な仕様(OM/OS は TIA タイプを指し、B は IEC タイプを指し、G は ITU タイプを指します)

コア/クラッド

減衰

帯域幅

用途・注意事項

マルチモードグレーデッドインデックス

@850/1300nm

50/125ミクロン(OM2)

3/1dB/km

500/500MHz-km

GbE LAN 向けレーザー定格

50/125ミクロン(OM3)

3/1dB/km

2000/500MHz-km

850 nm VCSEL 用に最適化

50/125ミクロン(OM4)

3/1dB/km

3600/500MHz-km

850 nm VCSEL 向けに最適化され、高速化

62.5/125ミクロン(OM1)

3/1dB/km

160-200/500MHz-km

LANファイバー

100/140ミクロン

3/1dB/km

150/300MHz-km

廃止

シングルモード

@1310/1550nm

9/125 ミクロン (OS1 B1.1 または G.652)

0.4/0.25dB/km

高い！

～100テラヘルツ

シングルモードファイバー、通信事業者/CATV/高速 LAN で最も一般的

9/125 ミクロン (OS2、B1.2 または G.652)

0.4/0.25dB/km

高い！

～100テラヘルツ

低水ピーク繊維

9/125 ミクロン (B2 または G.653)

0.4/0.25dB/km

高い！

～100テラヘルツ

分散シフトファイバー

9/125 ミクロン (B1.2 または G.654)

0.4/0.25dB/km

高い！

～100テラヘルツ

シフトされたファイバーをカットオフする

9/125 ミクロン (B4 または G.654)

0.4/0.25dB/km

高い！

～100テラヘルツ

非ゼロ分散シフトファイバー

マルチモードステップインデックス

@850nm

200/240ミクロン

4～6dB/km

50MHz-km

LAN とリンクが遅い

POF（プラスチック光ファイバー）

@ 650nm

1mm

～1dB/m

&nb sp;~5 MHz-km

短いリンクと車

注意: ファイバーを組み合わせて使用することはできません。シングルモードファイバーをマルチモードファイバーに接続しようとすると、20 dB の損失が発生する可能性があります。これは電力の 99% に相当します。 62.5/125 と 50/125 の間の接続でも、3 dB 以上、つまり電力の半分以上の損失が発生する可能性があります。ミスマッチファイバーの詳細。

ファイバー仕様

通常のファイバの仕様は、マルチモードファイバの場合はサイズ（コア/クラッドの直径（ミクロン））、減衰係数（適切な波長での dB/km）および帯域幅（MHz-km）、シングルモードファイバの場合は色および偏波モード分散です。開口数 (ファイバーへの光の受け入れ角度)、楕円率 (ファイバーの真円度)、コアとクラッドの同心度など、業界標準に従ってファイバーを設計および製造するための仕様ですが、これらの仕様は一般に影響を与えません。購入または設置のためにファイバーを指定するユーザー。ファイバー仕様のテストに関する詳細情報は次のとおりです。

一部のファイバーは、曲げによる損失の影響をあまり受けないように設計されています。これらの「曲げに影響を受けない」ファイバーは、パッチコードとして、または通常のファイバーでは損失が発生する狭い敷地内での用途向けに設計されています。ここでは、曲げに弱いファイバーについて詳しく説明します。

減衰

光ファイバーの主な仕様は減衰です。減衰とは光パワーの損失を意味します。光ファイバーの減衰は、単位長さあたりのファイバーの損失として定義される減衰係数 (dB/km) で表されます。

光ファイバーの減衰は、吸収と散乱という 2 つの要因の結果です。吸収は、ガラス内の分子による光の吸収と熱への変換によって引き起こされます。主な吸収体は残留 OH+ とガラスの屈折率を変更するために使用されるドーパントです。この吸収は、光を吸収する要素によって決まる個別の波長で発生します。 OH+ 吸収が優勢で、1000nm、1400nm、および 1600nm 以上で最も強く発生します。

減衰の最大の原因は散乱です。散乱は光がガラス内の個々の原子と衝突するときに発生し、異方性があります。ファイバの開口数の外側の角度で散乱した光は、クラッドに吸収されるか、光源に向かって送信されます。散乱は波長の関数でもあり、光の波長の逆 4 乗に比例します。したがって、光の波長を 2 倍にすると、散乱損失は 2 の 4 乗、つまり 16 倍減少します。

たとえば、マルチモードファイバの損失は、850nm (短波長と呼ばれる) では 3 dB/km とはるかに高くなりますが、1300nm (長波長と呼ばれる) ではわずか 1 dB/km です。つまり、850nmでは1kmで光の半分が失われるのに対し、1300nmではわずか20％しか失われません。

したがって、長距離伝送の場合は、減衰を最小限に抑え、中継器間の距離を最大にするために実用的な最長波長を使用することが有利です。吸収と散乱が一緒になって、上に示した典型的なガラス光ファイバの減衰曲線を生成します。

光ファイバーシステムは、850nm、1300nm、1550nmの吸収帯の間に作られた「窓」内を伝送し、物理学を利用してレーザーや検出器を簡単に製造することもできます。プラスチックファイバーの波長帯域はより制限されており、実際の使用は 660nm LED 光源に限定されます。

帯域幅

マルチモードファイバーの情報伝送容量は、分散の 2 つの別個の成分、モーダル成分とクロマティック成分によって制限されます。モード分散は、マルチモードファイバの屈折率プロファイルが完全ではないという事実から生じます。理論的には、すべてのモードがファイバの長さに沿って同じ群速度または通過速度を持つことができるように、グレーデッドインデックスプロファイルが選択されました。コアの外側部分をコアの内側部分よりも低い屈折率にすることにより、高次モードはコアの中心から離れるにつれて速度が上がり、より長い光路長を補償します。

理想的なファイバーでは、すべてのモードが同じ群速度を持ち、モード分散は発生しません。しかし、実際のファイバでは、屈折率プロファイルは区分的近似であり、すべてのモードが完全に伝送されるわけではなく、ある程度のモード分散が許容されます。高次モードは偏差が大きいため、ファイバーのモード分散 (したがってレーザー帯域幅) はファイバー内のモード条件に非常に敏感になる傾向があります。したがって、より長いファイバの帯域幅は、高次モードがより強く減衰されるにつれて非線形に劣化します。

ファイバ帯域幅の 2 番目の要素である波長分散は、マルチモードファイバとシングルモードファイバの両方に影響します。光は色に応じて異なる速度で進み、したがって異なる角度で屈折するため、プリズムは入射光のスペクトルを広げることに注意してください。これを説明する通常の方法は、ガラスの屈折率は波長に依存するということです。したがって、慎重に製造されたグレーデッドインデックスプロファイルは、通常 1300nm 付近の単一波長に対してのみ最適化することができ、他の色の光は色分散の影響を受けます。同じモードの光でも、波長が異なれば分散します。

光のほとんどが狭いスペクトル範囲に集中するレーザーとは異なり、広いスペクトル出力を持つ MM ファイバーの LED 光源では、色分散が大きな問題になります。広域スペクトル出力の面発光 LED をベースとする FDDI のようなシステムでは、非常に強い色分散が発生するため、伝送は 62.5/125 ファイバーのわずか 2 km に制限されていました。

波長分散 (CD) は、レーザーを使用する場合でも、シングルモードシステムの長いリンクにも影響を与えるため、長距離リンクでの波長分散を最小限に抑えるためにファイバーと光源が最適化されます。

よく頑張ってこの状況を乗り越えました。繊維は素晴らしいものであり、もっと活用すべきではないかという意見にきっと同意していただけると思います。とにかく、特別なご褒美として、来週、どれだけ学習したかを確認するためのテストを差し上げます。

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