光ファイバーのコアとは何ですか?光の道の説明

の の核心 光ファイバー ケーブルの全長に沿って光信号を伝送する中心的な物理媒体 (通常は超高純度の石英ガラスまたはプラスチックのストランド) です。これはファイバの中心部であり、導波される光パワーの 99% 以上が閉じ込められ、内部全反射によって伝播されます。コアがなければ、現代の電気通信、医療画像処理、および産業用センシングの驚異的なデータ レートは不可能になります。

ファイバーコアの理解: 定義と機能

の core is a cylindrical waveguide whose primary job is to transport modulated light from a transmitter to a receiver with minimal loss and distortion. In a standard glass optical fiber, the core is surrounded by a cladding layer that has a slightly lower refractive index. This precise index difference creates the optical boundary that traps photons inside the core, forcing them to travel along the fiber axis even when the cable bends.

長距離通信で使用される一般的なシングルモード ファイバは、1310 nm または 1550 nm 付近の波長の赤外線を伝送します。これらの波長では、減衰は次のように低くなります。 0.20dB/km つまり、信号は再生が必要になるまでに 100 km 以上伝わる可能性があります。このような透明性は、コア材料内の不純物、特に水と金属イオンを 10 億分の 1 まで減らすことによって実現されます。

の Role of Refractive Index and Total Internal Reflection

と呼ばれる現象により、光はコアに閉じ込められます。 全内部反射 (TIR)。コア内を進む光線が臨界角を超える角度でコアとクラッドの境界に当たると、光線はクラッドに逃げるのではなく、完全に反射してコアに戻ります。これにはコアの屈折率が必要です n ₁ クラッドの屈折率よりも厳密に大きくする必要があります n ₂ .

の numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n ₁ ² − n ₂ ²）。シングルモード ファイバは通常、次の NA を示します。 0.10～0.14 、一方、容易に結合できるように設計されたマルチモード ファイバは、周囲に NA を備えています。 0.20～0.29 。 NA が大きくなると、より多くの光を受け入れることができますが、モード分散も広がり、帯域幅が制限されます。

の precision of the index profile is engineered during fabrication. ステップインデックス プロファイルはコアインデックスを均一に保ちますが、 グレーデッドインデックス プロファイルは中心から外側に向かって指数を徐々に減少させます。グレーデッド インデックス設計は、異なる光路がほぼ同時に到着するようにすることでモード分散を低減するため、高帯域幅マルチモード ファイバの標準です。

コア材料: 石英ガラス vs. プラスチック光ファイバー

の vast majority of communication‑grade fiber cores are made from 合成溶融シリカ (SiO ₂ ) 二酸化ゲルマニウム（GeO）をドープした ₂ ) またはその他の指数上昇剤。ゲルマニウムのドーピングにより、コアを形成するのに十分なだけ屈折率が上昇しますが、クラッドは純粋な、または軽くフッ素がドープされたシリカのままです。 IEC 60793‑2‑50 によると、シングルモードファイバーはヒドロキシル (OH⁻) 汚染を以下に抑える必要があります。 0.8ppb 1383 nm 付近の水ピーク減衰を避けるため。

一方、プラスチック光ファイバー (POF) コアは、 ポリ(メタクリル酸メチル) (PMMA) または過フッ素化ポリマー。コアの直径はガラスの基準からすると巨大です - 多くの場合 0.5mm～1mm — これにより、コネクタ接続が簡素化され、POF が埃や振動に耐えられるようになります。ただし、PMMA ベースのコアは約 650nmで150dB/km 、到達範囲は約100メートルに制限されます。過フッ素化 POF は減衰をおよそ以下に低減します 10dB/km 、それでもシリカよりははるかに高いです。

• シリカコアの利点: 超低損失 (1550 nm で < 0.20 dB/km)、高温安定性、高密度波長多重化との互換性。
• プラスチックコアの利点: 大きなコアにより、調整が容易で、低コスト、柔軟性、民生用オーディオおよび車載ネットワーク向けの可視光操作が可能です。
• 特殊素材: カルコゲナイド ガラスまたはサファイア コアは、中赤外線の送信と高出力レーザーの照射に使用されます。

コアのサイズと規格: シングルモードとマルチモード

ファイバーのパフォーマンスは、まずコアの物理的寸法によって決まります。国際標準化団体 (ITU‑T、IEC、ISO/IEC) は、相互運用性を保証するために、コア直径、同心度誤差、およびモードフィールド直径について厳しいウィンドウを定義しています。

シングルモードコアの特性

の single‑mode core is designed to support only the fundamental LP ₀₁ モードを使用し、モード分散を完全に排除します。その直径は通常、 8.2～9.5μm 、モードフィールド直径は約 1310nmで9.2μm (ITU‑T G.652.D)。カットオフ波長（ファイバが複数のモードをサポートするポイント）は 1260 nm 以上に維持され、1310 nm および 1550 nm 帯域での真のシングルモード動作が保証されます。

マルチモードコアの特性

ISO/IEC 11801 に基づいて標準化されたマルチモード コアには、主に 2 つの直径があります。 50μm (OM2、OM3、OM4、OM5) および 62.5μm (OM1)。より大きなコアは数百の空間モードをサポートするため、VCSEL などの低コスト光源への結合が簡素化されますが、モード分散が発生します。これを軽減するために、最新の高帯域幅マルチモード ファイバはすべてグレーデッド インデックス コア プロファイルを使用し、有効なモード帯域幅を実現しています。 850nmで4700MHz・km 953 nm ウィンドウでは、OM4 の場合はさらに高く、OM5 の場合はさらに高くなります。

表 1: シングルモード光ファイバとマルチモード光ファイバのコアパラメータと性能の比較。データのソースは ITU‑T G.652、G.651.1、および ISO/IEC 11801 標準です。

ファイバーコアの製造方法: プリフォームから線引きまで

の core’s purity and precise index profile are born in a multi‑step vapor‑deposition process that builds a glass rod called a preform. The preform is then drawn into hair‑thin fiber while preserving its cross‑sectional geometry exactly.

次の 3 つの主流の堆積技術が使用されます。 改良化学気相成長法 (MCVD) , 外部蒸着 (OVD) 、そして 軸方向蒸着 (VAD) 。 MCVD では、高純度ガス (SiCl ₄ 、GeCl ₄ ) 回転するシリカチューブ内を流れ、トラバースバーナーがゾーンを約 1600 °C まで加熱し、すすを層ごとに堆積させます。コアのゲルマニウム濃度はパスごとに変化し、屈折率プロファイルをガラスに直接書き込みます。堆積後、チューブは 2000 °C 近くの温度で潰されて固体の棒になります。

の OVD and VAD methods build the preform from the outside, enabling larger preforms and higher productivity. A porous soot boule is formed and later sintered into clear glass. The core‑cladding structure is defined by the radial composition of the deposited soot. The final preform — now a solid cylinder about 1 meter long and several centimeters thick — is loaded into a drawing tower. It is heated in a graphite furnace to around 2000 °C and drawn into fiber at speeds of 1200～1800m/分 。 2 層の UV 硬化アクリレート コーティングがすぐに適用され、新品のガラス表面を保護します。

コア内の減衰と損失のメカニズム

コア内の損失は、吸収、散乱、および曲げによって発生します。基本的な下限は レイリー散乱 、冷却中にガラスに凍結した微視的な密度の変動によって引き起こされます。レイリー損失は λ⁻⁴ としてスケールされます。これが、シングルモード システムが 1310 nm から 1550 nm に移行した理由です。1550 nm では、レイリー寄与は約 0.12～0.15dB/km 、1310 nm での値の約半分です。

Si-O 結合の振動による赤外線の吸収端は 1600 nm を超えると顕著になりますが、赤外線では紫外線の吸収端は無視できます。不純物の吸収（最も悪名高いのは OH⁻ イオンによるもの）により、1383 nm 付近に水のピークが生じます。従来のファイバーでは、このピークは超える可能性があります 3dB/km しかし、最新の「低水ピーク」ファイバー (ITU‑T G.652.D) はそれを 0.35 dB/km レベル以下に抑制し、粗い WDM に E バンド (1360 ～ 1460 nm) の使用を可能にします。

マクロベンド損失は、ファイバーがきつく巻きすぎると発生します。コアの閉じ込めが弱まり、光がクラッド内に放射されます。 G.657 曲げの影響を受けないファイバーの場合、許容曲げ半径は次のように小さくなります。 5mm コア周囲のトレンチアシストまたはディプレストクラッドインデックス設計のおかげで、1550 nm での追加損失は無視できます。

分散とコア設計への影響

色分散とモード分散はどちらも、コアの形状と材料が光とどのように相互作用するかによって発生します。シングルモードコアでは、波長分散は材料分散と導波路分散の合計です。コア直径と屈折率デルタを調整することにより、設計者はゼロ分散波長をシフトできます。標準の G.652 ファイバーではゼロが次の位置に配置されます。 1310nm付近 一方、分散シフト ファイバ (G.653) は、コアの有効面積を縮小し、屈折率プロファイルを調整することで、波長を 1550 nm に移動します。このトレードオフにより非線形効果が増大する可能性があるため、非ゼロ分散シフト ファイバ (G.655) は、C バンド全体で小さいながらも非ゼロ分散を維持し、四光波混合を抑制します。

マルチモード コアでは、モード分散が帯域幅の主な要因となります。ステップインデックス 50 µm コアのモーダル帯域幅はわずか 20～50MHz・km 。最適化された放物線状のグレーデッド インデックス プロファイルを適用することにより、帯域幅が飛躍的に向上します。 数千MHz・km 、OM4 ファイバーで 100 メートルにわたる 100 Gbps 伝送が可能になります。マルチモード ファイバは世代を重ねるごとに屈折率プロファイルの許容値が厳しくなり、すべてのモード グループにわたるグループ速度がより均一化されます。

新たなコア技術: 中空コアおよびマルチコアファイバー

の next revolution in core design departs from solid glass altogether. 中空コアフォトニックバンドギャップファイバー フォトニックバンドギャップを形成する微細構造クラッドに囲まれた空気で満たされた中央領域に光を導きます。光は主に空気中を移動するため、遅延は次のように低下します。 1.5μs/km — 標準ファイバーと比較して 31% 削減 — 非線形性が大幅に低下します。最近の研究では、 0.174dB/km 1550 nmの中空コアファイバーで記録され、ソリッドコア記録との差が狭まります。このようなファイバーは、超低遅延の金融取引ネットワークや高エネルギーレーザー配信用にすでに試験されています。

マルチコアファイバー 単一のクラッド内に複数の独立したコアを埋め込みます。通常、六角形のアレイに 4、7、さらには 19 個のコアが埋め込まれます。各コアは個別のデータ ストリームを伝送できるため、クラッド直径を標準の 125 μm またはそれよりわずかに大きく保ちながら、ファイバの容量をコアの数で増やすことができます。を超える伝送実験 1ペタビット/秒 単一のマルチコア ファイバ上での動作が実証されており、各コアは従来のシングルモード動作をサポートしています。ファンアウトデバイスとコア間クロストーク管理には課題が残っていますが、標準化団体はすでにマルチコアファイバーの特性評価方法を定義しています。

ファイバーコアの視覚化

の illustration below shows a simplified cross‑section of a standard single‑mode fiber. The core occupies the very center, followed by the cladding and the protective buffer coating.

ファイバーコアに関するよくある質問

なぜコアの屈折率がクラッドよりも高くなければならないのですか?

全内部反射は、光が屈折率の高い媒体から屈折率の低い媒体に移動する場合にのみ発生します。コアの屈折率がクラッドの屈折率以下の場合、光は屈折してファイバの導波が停止します。屈折率の差により光学バリアが形成され、コアが円筒ミラーに変わります。

シングルモードコアがこれほど小さいのはなぜですか?

の core diameter must be close to the wavelength of light to cut off all higher‑order modes. For operation at 1550 nm, a core diameter around 8–9 µm yields a normalized frequency V < 2.405, guaranteeing single‑mode propagation. A larger core would support multiple modes and introduce modal dispersion, severely limiting bandwidth‑distance product.

光ファイバーは複数のコアを持つことができますか?

はい。マルチコア ファイバは空間分割多重化のために導入されており、標準的なクラッド直径に最大 19 個の独立したコアが統合されています。各コアは個別のシングルモード チャネルとして動作し、単一のファイバ ストランドのデータ容量を倍増します。この技術は、将来のペタビットクラスの海底ケーブルを可能にする重要な要素です。

製造中にコアはどのようにして純粋に保たれるのでしょうか?

すべての蒸着プロセスでは、サブミクロンレベルまでろ過された半導体グレードの前駆体ガスが使用されます。プリフォームの製造全体は密閉された粒子のない環境で行われ、ガラスは原料から溶解するのではなく、蒸気から直接合成されます。このアプローチにより、遷移金属汚染は以下に制限されます。 1 10 億分の 1 これは、0.2 dB/km の損失下限に到達するために不可欠です。

の core of an optical fiber may be small — sometimes invisible to the naked eye — but its material, geometry, and index profile decide everything about how fast, how far, and how cleanly light can deliver information. As hollow‑core and multicore designs mature, the fundamental definition of what a core can be is expanding, promising networks that are faster, lower‑latency, and more energy‑efficient than ever before.