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光ファイバーとは?種類と特徴は?5G時代にも必要なの?

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現在のブロードバンド通信ネットワークの主要な部分で光ファイバーが利用されています。高速・低遅延の第5世代移動体通信システムである5Gがこれから普及しますが、それでも光ファイバーによる有線の通信ネットワークの重要性は変わりません。光ファイバーについて紹介します。

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光ファイバーとは?種類と特徴は?

光ファイバーとは、透明なコアと呼ばれる部分を透明なクラッドと呼ばれる部分で被覆した、細い糸状のもので、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高くなっています。そのため、光ファイバーの一端からコア部に光を入射させると、コアとクラッドの界面で全反射しながら導光します。

全反射という現象は、物理的にもエネルギーの損失がゼロの現象で、コアとクラッドに透明性の高い材料を用いることにより、長い距離導光させることができます。

材料からみると、透明性に優れる石英ガラス製の光ファイバーと、透明性に優れるプラスチック製の光ファイバーが製品化されています。両者を比較した場合、透明性においては圧倒的に石英ガラス製の光ファイバーが優れており、ある程度以上の距離では石英ガラス製の光ファイバーが使用されています。

ファイバーの構造・伝送特性からみた場合、シングルモードファイバー(SMF)とマルチモードファイバー(MMF)に大別されます。ファイバーの一端から光を入射させると、内部を導光する際の「伝送モード」と呼ばれるものが生じます。これは大まかにはファイバー内部を伝搬する光の経路のようなものと理解しておけば良いでしょう。

コア径が大きくなるほど伝送モードの数が増えます。一般に伝送モードによってファイバー内を伝搬するスピードが異なり、狭い光信号パルスを入力しても、出射時には光信号パルス幅が広がり、伝送帯域(スピード)が低下します。そのためモードの数が1つになるようにコア径を小さくしたものがSMFで、通常はコア径が10ミクロン以下です。

それに対し、複数のモードを伝送する光ファイバーがMMFです。MMFでも、伝搬する複数のモードのスピードがおおよそ同じになるように工夫をしたものがグレーデッドインデックス(GI)型ファイバーです。コア部に、中心軸から半径方向に連続的に屈折率が減少するような屈折率分布を形成しています。

SMFでは高速の光通信が可能ですが、コア径が小さいため、光ファイバーの接続に高精度な位置合わせが必要となり、コストが高くなります。GI型MMFは、コア径が太いため接続が容易ですが、最高の伝送帯域という点ではSMFに譲ります。

石英ガラス製光ファイバーが主要なバックボーンに使用されている

日本国内に多くのNTTの基地局があります。これらの間は高速の光ファイバーで結ばれています。距離が数十km程度あることが多く、石英ガラス製の光ファイバーが使用されています。

もっとも長い距離を結んでいるのが海底ケーブルです。日本から米国などの非常に長い距離を光ファイバーで接続しています。この場合は、さすが光ファイバーの日本側から光信号を入射させても、そのままでは距離が長過ぎて米国まで届きません。そこで数十km毎に敷設されている光ファイバー増幅器で、弱くなった光信号を増幅するということを繰り返し、米国まで届けています。

このような通信ネットワークの主要なバックボーンになる部分を光ファイバーが支えており、これは5Gの時代になっても変わりません。

通信ネットワークのバックボーンから、年々光ファイバー通信網は伸び、近年は各家庭まで光ファイバーを引き込むサービスも普及しています。光ファイバーによる光通信の高速性を知ってしまうと、その価値がよくわかります。


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光ファイバーはデータセンターでも使用されている

年々通信のデータ総量は増えています。また多くのデータをクラウドなどに保存するようにもなっています。そのためデータセンターが年々増え続けています。

データセンターでは、ルーターやストレージがネットワークケーブルで結ばれており、それらの多くにも光ファイバーが利用されています。データセンターの規模にもよりますが、石英ガラス製の光ファイバーが主に使われています。接続する機器間の距離によっては、MMFが使用されている場合もあります。

データセンター用の光ファイバーの市場については、今後も伸びていくでしょう。

まとめ

光ファイバーの種類と特徴、利用されている用途などについて紹介しました。5Gが普及する時代にも有線の光ファイバーは必要とされます。

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