光ファイバーのコアとは何ですか?完全ガイド

の の核心 光ファイバー ファイバーの中央の円筒形の光伝送領域で、超高純度の石英ガラスまたは特殊なプラスチックで製造されており、データエンコードされたレーザーまたは LED パルスが送信機から受信機まで通過します。長距離通信用に設計されたシングルモード ファイバでは、このコアの寸法はわずか 直径8～10ミクロン 人間の髪の毛の約10分の1の太さ。コアの周囲は屈折率がわずかに低いクラッド ガラスの層であり、これら 2 つの材料間の境界は、全内部反射の物理原理によってコア内に光を閉じ込めます。最も広く導入されているシングルモード光ファイバを標準化する国際電気通信連合 (ITU-T) 勧告 G.652 によれば、コアはクラッド内の中心にあり、同心度誤差が 2 未満である必要があります。 0.6ミクロン 低い接続損失と効率的な光結合を保証します。理解する 光ファイバーのコアは何ですか 最新の光ファイバーネットワークがなぜ伝送できるのかを理解するための基礎となる テラビット/秒 100 キロメートル以上離れた信号中継器を使用して、海洋を越えてデータを収集します。

の Physical Structure and Material of the Optical Fiber Core

の core is fabricated from highly purified silica glass (SiO₂) that has been doped with small amounts of germanium dioxide or other index-raising elements to create a refractive index slightly higher than that of the surrounding pure silica cladding. の manufacturing process, known as modified chemical vapor deposition or outside vapor deposition, begins with the creation of a preform—a thick glass rod roughly one meter long and two centimeters in diameter. Inside this preform, the core region is formed by depositing layer upon layer of germanium-doped silica soot onto a rotating mandrel inside a lathe, all within a rigorously clean environment to prevent contamination. After the deposition process is complete, the preform is heated to approximately 摂氏 2,000 度 (華氏 3,632 度) これにより、すすが融合して、正確に中心にコアを持つ固体の透明な棒になります。次に、このプリフォームは線引きタワーに装填され、そこで先端が軟化温度まで加熱され、細いストランドがトラクター機構によって下方に引っ張られます。線引きプロセスにより、プリフォームの直径がセンチメートルから最終的な繊維直径まで縮小されます。 125ミクロン 、コアはその比例直径を維持しますが、通常は シングルモードの場合は 9 ミクロン または マルチモードの場合は 50 ～ 62.5 ミクロン 繊維。低損失光ファイバーの発明者であるコーニング社によると、コアガラスの純度が非常に高いため、厚さ数キロメートルの窓がこの材料で作られた場合、通常の窓ガラスと同じように透明になるという。鉄、銅、水分子などの不純物は、微量であっても光信号を散乱または吸収し、長距離では許容できない減衰を引き起こすため、10 億分の 1 まで削減されます。

コアが光を導く仕組み: 全内部反射

の core guides light along the fiber by exploiting the optical phenomenon of total internal reflection at the core-cladding boundary: when light traveling in the higher-index core strikes the boundary at a shallow angle, it is reflected entirely back into the core rather than escaping into the cladding. の physics behind this effect is described by Snell's law of refraction. The refractive index of the germanium-doped core is approximately 1.47～1.48 一方、純粋なシリカクラッドの屈折率は約 1.46 。デルタとして知られる小さな差は、通常、約 0.3%～0.5% シングルモードファイバー用。受光角より小さい角度でファイバに入射する光線は、臨界角より大きい角度でコアとクラッドの界面に衝突し、全反射されます。このプロセスは 1 メートルあたり数千回繰り返され、非常に低い損失で光信号がファイバーの長さに沿ってジグザグに伝送されます。最新の光ファイバーの減衰はわずか 波長 1,550 ナノメートルで 1 キロメートルあたり 0.2 デシベル これは、100 キロメートル移動した後も信号が元のパワーの約 1% を維持することを意味します。この驚くべき透明度は、 光ファイバーコア 、これが、大陸間海底ケーブルが離散中継点でのみ増幅しながら海洋盆地にまたがることができる理由です。コアの屈折率プロファイル（屈折率がコアとクラッドの境界で急激に変化する単純なステップ屈折率であるか、屈折率が中心から外側に向かって徐々に減少する段階的屈折率であるか）によって、光モードがどのように伝播するか、およびモード分散がどの程度ファイバの帯域幅を制限するかが決まります。

シングルモード コアとマルチモード コア: 直径がすべてを決定します

の diameter of the optical fiber core determines whether the fiber operates as a single-mode waveguide supporting only one optical path or as a multi-mode waveguide supporting hundreds of paths, and this distinction has profound implications for bandwidth, distance capability, and system cost. の table below summarizes the standard core sizes and their corresponding performance characteristics.

コア サイズが帯域幅と距離に直接影響する理由

の core diameter governs the number of optical modes the fiber can support, and because different modes travel different path lengths through the core, a larger core introduces modal dispersion that spreads light pulses over time and limits the maximum data rate achievable over distance. シングルモード 光ファイバーコア 直径 9 ミクロンのこの構造は、光を単一の明確な空間モードに閉じ込める導波路として機能します。経路が 1 つしかないため、すべての光エネルギーはファイバー軸に沿って本質的に同じ速度で進み、入力で発射された短いパルスは最小限の時間的広がりで出力に到達します。これにより、シングルモード システムが次のレートでデータを変調できるようになります。 100ギガビット/秒以上 そして、これらの信号を再生せずに 80 キロメートルにわたって送信します。対照的に、50 ミクロンのマルチモード コアでは、数百のモードを同時に伝播できます。各モードはコアを通るわずかに異なるジグザグの経路をたどり、より急な角度でバウンドするモードは総移動距離が長くなります。結果として生じるモード分散として知られるパルスの広がりにより、標準的な OM1 ファイバーは約 10ギガビット/秒で300メートル 。レーザー向けに最適化された OM4 ファイバーは、コアにグレーデッド インデックス プロファイルを使用することでこれを軽減します。屈折率は中心から外側に向けて放物線状に減少し、外部モードの伝播が速くなり、到達時間の広がりが狭まります。この改良により、範囲が拡大します。 100ギガビット/秒で400メートル これは、大部分のデータセンター相互接続に十分です。の物理学 光ファイバーコア したがって、これは直接のトレードオフになります。コアが小さいほど長距離でより高い帯域幅が得られますが、レーザー光源とコネクタのより正確な位置合わせが必要になります。一方、コアが大きいほど位置合わせが容易になり、帯域幅と距離の積を犠牲にしてコネクタのコストが削減されます。

光ファイバーコアに関するよくある質問

光ファイバーのコアは何からできていますか?

の の核心 optical fiber は、クラッドよりわずかに高い屈折率を高めるために二酸化ゲルマニウムがドープされた超高純度のシリカ ガラスから作られています。プラスチック光ファイバーのコアは、ポリメチルメタクリレートまたはポリカーボネートから作られています。ガラスの純度は、長距離通信に必要な低減衰を可能にする重要な要素です。

光ファイバーのコアが切れた場合、修理は可能でしょうか？

壊れた 光ファイバーコア 目に見えずに再結合するという意味では修復できません。標準的な方法では、破損した端をきれいに切断し、融着接続機で電気アークを使用してそれらを融着します。結果として生じるスプライスにより、コアが数ミクロン以内に位置合わせされ、通常以下の挿入損失で連続したガラス接合が作成されます。 0.05デシベル 。精密アライメント固定具と屈折率一致ジェルを使用した機械的スプライスは、一時的な修理の代替手段となります。

コアのサイズはファイバーコネクタの色にどのような影響を与えますか?

の industry standard color code helps technicians identify the fiber type at a glance. Single-mode connectors and patch cords with a 9-micron core are typically blue (UPC polish) or green (APC polish). Multi-mode connectors with a 50 or 62.5 micron core are beige for OM1, black for OM2, aqua for OM3, and violet for OM4. The connector color does not change the optical properties of the コア それ自体は可能ですが、互換性のない種類の繊維の高コストの混合を防ぎます。

より小さなコアには LED 光源ではなくレーザーが必要なのはなぜですか?

の 9-micron の核心 optical fiber シングルモード動作用に設計されたその断面積はわずか約 60 平方ミクロンです。広範囲の LED からの光をこのような小さな開口部に結合することは、LED の光のほとんどがコア受光角の外側にあるため、非常に非効率的です。レーザー ダイオードは、細く高度に平行なビームを備えているため、出力のはるかに高い割合を直接コアに集中させることができます。 50 ～ 62.5 ミクロンのコアを備えたマルチモード ファイバーは、はるかに広い受容面積を持ち、低コストの LED または垂直共振器面発光レーザー光源によって効率的に駆動できます。

の の核心 optical fiber ファイバーが単一のデータ ストリームを海を越えて伝送できるか、またはデータ センター全体に高帯域幅の信号を分散できるかを決定する要素です。その直径、純度、屈折率プロファイルは、数十年にわたる材料科学と製造上の改良の結果です。コアの役割を理解すると、シングルモード ファイバーとマルチモード ファイバーが現代の通信インフラストラクチャにおいてこれほど異なるニッチな分野に役立つ理由が明確になります。