fiber)とは、離れた場所に光を伝える伝送路である。外部リンク特徴[編集]電磁気の影響を受けずに極細の信号線で高速信号が長距離に伝送出来るため、デジタル通信を中心に多くの通信用途に使用されている。Tbpsを越える程度である。km間隔[1]のものが実用化されている[2]。1]と呼ばれる部分、そしてそれらを覆う被覆の3重構造になっていて、クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射や屈折により出来るだけ光を中心部のコアにだけ伝播させる構造になっている。コアとクラッドはともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックでできている[3][2]。被覆がないコアとクラッドのみの状態を単に「光ファイバー」と呼び、光ファイバーの表面をシリコーン樹脂で被覆したものを「光ファイバー素線」、光ファイバー素線をナイロン繊維で被覆したものを「光ファイバー心線」、光ファイバー心線を高抗張力繊維と外皮で被覆したものを「光ファイバーコード」とする呼びかたもある。複数の光ファイバー心線に保護用のシースと呼ばれる被覆をしたものを光ファイバー・ケーブルと呼ぶこともある。特性[編集]屈折率と透過率[編集]一般的な石英ガラスを使った光ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差は、わずかに0.2ないし0.3パーセント程度である。km/s)で光信号が伝わってゆく(物質中の光の伝播速度は、光速を屈折率で割ったものになる)。光ファイバー中の光の減衰は以下の多くの要素が関係している。低損失で長距離伝送が可能な光ファイバーの製造にはこれらの影響を小さくすることが求められる。したがって光ファイバーに使われる材料は特に高純度なものを所定の屈折率になるよう微量の添加物を入れたものを、組織の歪みができないよう注意して製造される。歴史[編集]17世紀に、波動の屈折の法則が、ヴィレブロルト・スネルによって定式化された。1820年に、ガラス板の中に光が閉じ込められる条件が、オーギュスタン・ジャン・フレネルによって定式化された。Colladonとジャック・バビネによってパリで行われた。1870年、ジョン・ティンダルが光の全反射の条件を記し、水流で光を曲げる実験をロンドンで行った。1880年、音声を可視光線の信号に乗せ通信を行うPhoto-Phone実験が、アレクサンダー・グラハム・ベルによって行われた。1888年ごろ、初期のテレビ画像伝送の試みとして、曲がったガラスパイプやガラスロッドに光を通す方法がウィーンやフランスで考案された。このころから、テレビの画像通信や潜望鏡、胃カメラなどにさまざまな光の導波路を用いる試みがなされた。Hondros)とピーター・デバイによって定式化された。1925年、空洞のパイプやガラス・プラスチックロッドをつなげた光の伝導路で画像を伝送する方法の特許が、ジョン・ロジー・ベアードによって出願された。ガラス繊維の束に光を導く実験を行った。これが、ガラスファイバーの束に光を通す初めての試みとなった。1936年、逓信省研究所の関杜夫と根岸博(清宮博)が、ガラスロッドの湾曲部にプリズム・レンズを用いて、全反射によって光線信号を伝送する光線導管による光通信を考案し、特許を出願した[5]。1958年になるとガラスファイバーの芯を違う種類のガラスで巻くという、コアとクラッドによって構造される石英ガラスファイバーがインド人物理学者のナリンダー・シン・カパニーによって考案される[6]。これにより、ケーブル内の屈折率の違いによって光を全反射で誘導するという光ファイバーの基礎が確立され、このとき初めてオプティカル·ファイバー(光ファイバー)と名づけられた。ナリンダー・シン・カパニーは光ファイバーの発明者とされ、光ファイバーの父と称される。Snitzerによって、シングルモード光ファイバーが提案された[8]。ガラスファイバーのコア内の屈折率を中心から周辺に向かって連続的に低くなるように変化させ、入射角の異なる光をファイバー内で収束させる自己集束型光ファイバー(今日にいうGI型光ファイバー)の概念を特許出願により提案し[9]、自己集束型光ファイバーによる光通信の可能性について言及した。特許庁は意味がわからないと不受理にした[10]。同様の構造の光ファイバーは、ベル研究所のスチュワート・ミラーによっても提案されている[11]。ミラーは、ガラスが効率的な長距離伝送の媒体となることを理論的に示した。dB/kmであれば通信用の光ファイバーに利用できる旨の提案がなされた。これまでに確立された理想的なガラスファイバーの理論から、不純物を含む現実的なガラスファイバーでの光の減衰特性の理論を唱えた画期的なものであった。これにより、ガラスファイバーの不純物を下げる研究が活発に行われるようになり、光ファイバーは実用化に向けて大きく前進した。カオは、光通信用の光ファイバーに対する先駆的な貢献により、1996年に日本国際賞、2009年にノーベル物理学賞を受賞した[12]。1966年には、西澤の研究は日本板硝子と日本電気によってセルフフォーカスファイバー「セルフォック」として実現される。dB/kmが限度であった。dB/kmの損失を達成した[15]。日本の特許庁はそれが西澤と類似するものであることを知りながら口をつぐんだ[10]。コーニング社の発表に続く形で、不純物のドーピングによる多層結晶成長の技術によって、常温で連続作用可能な半導体レーザーがベル研究所のパニッシュと林厳雄によって試作された。エピタキシー(MBE)を考案した。MBEで作った新素子は寿命100万時間を達成した。これらの技術により、光ファイバーのレーザー光源の技術が確立された。1974年、ベル研究所のジョン・マクチェスニーはMCVD(内付気相堆積)法での光ファイバーの製法を編み出した[16]。dB/kmに低下した。伊澤達夫が、VAD(気相軸付け)法による光ファイバーの製造方法を発明した[15][17]。現在、VAD法の製造スピードはMCVD法の約100倍となっている[18]。Poole)が、エルビウムという元素を光ファイバーのガラスに少量加えると、光だけで動作する増幅器を作れることを発見した。Amplifier[19])を開発した。これにより、レーザー中継による光信号増幅器よりも効率の良い伝送を行うことが可能となった。国際回線における光ファイバーの私的所有を認可した。同年2月、日本では北海道旭川と鹿児島間をつなぐ日本縦貫光ファイバーケーブル網が整備された[22]。モードによる分類[編集]光ファイバーの中を伝播する光の経路によってモードが分かれる。光が光ファイバーのごく狭い中心部だけを通るものが「シングルモード・光ファイバー」であり、光が光ファイバーの中をある程度の幅をもって通るものが「マルチモード・光ファイバー」である。円筒状の伝送路である光ファイバーに横波である光を伝送すると、経路が同じでも偏波面が異なる、いわゆる偏波モードが生じる。光ファイバーの形状が完全な円筒であり、屈折率や温度などの条件も完全に均一であれば、伝送特性は偏波モードに依らない。実際には製造工程での狂いや外力などの不均一性により、伝送特性が偏波モードに依存することが多い。偏波モードによる伝送特性、特に遅延特性の差は偏波モード分散と呼ばれており、主に波長分割多重や長距離伝送にて伝送距離を制限する。fiber)は、光が多くのモードに分散して伝送されるものである。シングルモード型と比較して以下の特性がある。index、GI)型は、屈折率分布型とも呼ばれ、コアの屈折率が動経方向に対して二次関数的に連続変化するようなものである。中心から離れるに従って屈折率を小さくしているため、光が徐々に屈折しコアに閉じ込められることになる。媒質中の光の速度は屈折率に反比例するため、光の速度は中心から離れるにつれて速くなる。これにより、斜めに進む光と直進する光が端から端まで到達する速度は同じになり、伝送波形が崩れにくい。ステップ・インデックス型に比べ製造が難しく高価になりがちであるが、高速伝送が可能である。mの中距離高速伝送が可能である。mの伝送が可能である。index、MI)型は、コアの屈折率が動経方向に対して段階的に変化するものである。SI型とGI型との中間的な性質を持つ。index、SI)型は、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わるものである。コアとクラッドの境界面で全反射するような角度で入射させ光を伝送する。斜めに入射した光が中央を真っ直ぐ進む光より長い距離を進み到達時間が長くなることになり、長距離伝送後に元の波形が崩れてしまうという欠点がある。m程度までの伝送が可能である。音声やビデオの短距離伝送に用いられている。fiber)は、光が単一のモードで伝送されるものである。遠距離通信用のガラス製光ファイバーは、この方式が一般的となっている。ITU-Tの勧告として標準化されている。マルチモード型と比較して以下の特性がある。伝送損失等が小さく長距離伝送に適合するコア径が細く曲げに弱いケーブルの接続に際し専用の器具を用いて端末加工や融着接合する必要があり、取り回しが煩雑である[23]。nm帯に零分散波長があるもの。日本国内でNTTやKDDIをはじめとして、幹線に使用されているのが、このシングルモード型である。FTTHで各家庭に引き込まれている光ケーブルにもこのSM型が内蔵されている。nm帯を零分散波長とし、より長距離伝送を可能にしたもの。nm帯から少しずらすことにより、非線形現象を抑制して波長分割多重(WDM)のときの伝送特性を良くしたもの。G.656広い波長域で低分散である。G.657ビル内や宅内配線用に曲げた場合の光損失を低減したもの。ガラス製の物に比べて以下の点で特徴がある。伝送損失が大きく、長距離高速伝送に向かない。コア径が太く曲げに強い。光ファイバー同士の接続や光ファイバーと機器との接続が比較的容易である。比重が小さく軽量である。そのため、近距離の伝送に用いられる。プラスチック製・光ファイバーの材料[編集]クラッド材料には、低屈折率をもつフッ素系ポリマーが用いられる。以下のものが良く用いられている。完全フッ素化ポリマーは、C-H結合をC-F結合に完全に置換し振動吸収を長波長側へ変化させ、光学損失を軽減するために用いられる。GI型で用いられていて、光学特性の面から注目されている。原料からファイバ製品まで完全密閉で連続製造可能。ポリカーボネートポリカーボネートは、PMMAに比べて耐熱性が高いため、自動車用などに用いられる。ポリスチレンポリスチレンは、ベンゼン環を有するため可視領域での損失が大きい。含重水素化ポリマーは、C-H結合をC-D結合に一部置換し振動吸収を長波長側へ変化させ、光学損失を軽減するために用いられる。強度特性の低下はないが、吸水による光学特性の劣化が大きくなる。プラスチック製・光ファイバーの製造法[編集]この節の加筆が望まれています。モノマーの純度を上げて特性の低下を防ぐ。一定の分子量になるように反応させる。溶融した状態で、コアを内層・クラッドを外層とする糸にする。表面に別の高分子を付着させ保護層とする。fiber)は、コア、クラッド共に石英ガラス(シリカ・ガラス)が用いられる。光を閉じこめて伝播させるにはコアとクラッドに屈折率差が必要なため、コアには屈折率を上げるためにGe(ゲルマニウム)やP(リン)、クラッドには屈折率を下げるためにB(ホウ素)やF(フッ素)などが添加される。プラスチック製・光ファイバよりも伝送損失が小さいため、長距離伝送用の光ファイバーとしてよく用いられる。通信に用いる場合、伝送損失を下げる必要があるため、コア材料は最大の透明度が得られるように高純度のシリカ・ガラスが使われている。含水量(OH基)は数ppmまでに低減させている。dB/km以下に抑えられている。海底ケーブルは長距離であるため、シリカ・ガラスよりもさらに伝送損失が小さいフッ化物ガラスが用いられる。プラスチック製光ファイバーに比べて以下の特徴がある。伝送損失が小さく特性が良いので、長距離高速伝送に適合する。コア径が細く曲げに弱い。光ファイバー同士や光ファイバーと機器との接続に、正確な軸あわせのできる特殊工具や機械的強度のある接続器具が必要である。