光がファイバー中をどう伝わるか：全反射、モード、開口数

ファイバーは導波路です。ガラスのコアを、それよりわずかに屈折率の低いガラスが取り囲んでおり、浅い角度で境界に達した光は外に逃げるのではなく反射されて戻ります。この一つの事実から、シングルモードとマルチモードの違い、光源の光がどれだけ入るかを決める受光角、きつい曲げが光を漏らす理由、そしてデータシートが参照する OM1–OM5 や OS2 のグレードが導かれます。このページでは、リンク設計で使われる深さまでこの物理を扱います。

ファイバーの構造

層	直径	材料	役割
コア	9 µm（シングルモード）、50 または 62.5 µm（マルチモード）	ゲルマニウムをドープしたシリカ（高屈折率）	光を伝える
クラッド	125 µm	純シリカまたはフッ素ドープシリカ（低屈折率）	全反射によって光を閉じ込める
被覆	250 µm（または 200 µm）	アクリレート	機械的保護。ケーブル内では色で識別
バッファー / ジャケット	900 µm タイトバッファー、またはルーズチューブ	プラスチック	取り扱い用。光学系の一部ではない

コアとクラッドの屈折率差はごくわずかです — 約 0.3–0.5 % — が、光がほぼ軸に平行に進むため、それで十分です。

全反射と開口数

より密な媒質からより疎な媒質へ進む光は法線から遠ざかるように曲がります。臨界角を超えると光は全反射します。ファイバーの中では、これは軸を中心とした円錐の内側にある光線が閉じ込められることを意味します。その円錐の空気中での半頂角は開口数によって決まります。

ファイバー	NA	受光半角	意味
シングルモード G.652	≈ 0.12–0.14	≈ 7–8°	狭く精密に狙ったビームしか結合できない — レーザー光源のみ
マルチモード 50 µm（OM2–OM5）	0.20	≈ 11.5°	受光範囲が広い — VCSEL や LED が容易に結合する
マルチモード 62.5 µm（OM1）	0.275	≈ 16°	最も広い。旧世代

NA が高いほど結合は容易になりますが、モード数とモード分散は増えます。

モード

モードとは、導波路の中を伝わることができる安定した電磁界パターンです。その数はコア径、NA、波長（V 数）によって決まります。

ファイバー	850 nm でのモード数	1310 nm でのモード数	影響
9 µm シングルモード	—（少モードになる）	1	モード分散なし。伝送距離は減衰と波長分散で決まる
50 µm マルチモード	数百	~100	モード分散が帯域幅 × 距離を制限する（分散と帯域幅）
62.5 µm マルチモード	~1 000	—	最も大きいモード分散

シングルモードファイバーはカットオフ波長を超えたとき（G.652 では ≈ 1 260 nm）に限りシングルモードになります。850 nm では複数のモードを伝えてしまうため、シングルモードファイバー上の 850 nm SR モジュールが正しく動作しない理由、そして「シングルモードは 1310/1550」という組み合わせになる理由はここにあります（物理的な不整合）。

ステップインデックスとグレーデッドインデックス

プロファイル	屈折率形状	用途	効果
ステップインデックス	コアの屈折率は一定で、クラッドとの境界で急激に変化する	シングルモードファイバー	モードが一つしかなければ無関係
グレーデッドインデックス	放物線状: 軸上で最大となり、クラッドに向かって低下する	すべての通信用マルチモード（OM1–OM5）	外側の光線はより長い距離を進むが、より速く伝わる（屈折率が低いため）ため、モードはほぼ同時に到着する — モード分散はステップインデックスに比べ 100 分の 1 に減少する

グレーデッドプロファイルの精度こそが OM3（2 000 MHz·km）と OM4（4 700 MHz·km）を分けるものです。同じ構造でありながら、より精密な屈折率カーブになっています。

モードフィールド径と結合損失

シングルモードファイバーでは、光は 9 µm のコアだけに閉じ込められているわけではなく、そのモードフィールド径（MFD）は 1310 nm で ≈ 9.2 µm、1550 nm で ≈ 10.4 µm です。 MFD が異なる二本のファイバー、またはコネクターでの横方向のずれは、光を失わせます。

不整合	損失
横方向のずれ 1 µm（SMF）	≈ 0.2 dB
横方向のずれ 2 µm	≈ 0.8 dB
MFD 9.2 対 10.4 µm（G.652 から G.657.B または DSF へ）	≈ 0.1–0.3 dB
50 µm コアから 62.5 µm コアへ	≈ 0 dB（損失は逆方向で発生する）
62.5 µm コアから 50 µm コアへ	2–4 dB
SMF から MMF へ	接続点では ≈ 0 dB だがモードが励起される → モードノイズ
MMF から SMF へ	> 10 dB

だからこそ「50 と 62.5 を混在させない」「シングルモードとマルチモードを混在させない」という原則があります（コネクターとファイバー種別）。

曲げ損失

曲げの種類	原因	影響
マクロベンド	半径が約 30 mm 未満（標準 SMF）、きつく締めた結束バンド、ドア	光がクラッドから漏れ出す。損失は波長とともに急激に増加する — 1310 nm では問題ないリンクが 1550 nm では不合格になり、1625 nm での試験は 1310 nm では見つからない曲げを検出する
マイクロベンド	ケーブルの応力、低温、押しつぶしによる微視的な軸のゆがみ	広帯域にわたる損失の増加
曲げ耐性ファイバー G.657.A1/A2/B3	トレンチ支援型の屈折率プロファイル	10–7.5–5 mm の半径が許容される。屋内、FTTH ドロップ、高密度パネルで使用

マルチモードは曲げに対してより寛容ですが、高次モードから先に失われるため、帯域幅が変化します。

ファイバーグレード一覧

グレード	コア	波長	帯域幅（850 nm での EMB）	減衰	規格
OM1	62.5 µm	850 / 1300	200 MHz·km	3.5 / 1.5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850 / 1300	500	3.5 / 1.5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850（レーザー最適化）	2 000	3.0 / 1.5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3.0 / 1.5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953（広帯域）	850 で 4 700、953 で 2 470	3.0 / 1.5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1.0 / 1.0（屋内タイトバッファ）	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0.4 / 0.4 / 0.4（ルーズチューブ、低ウォーターピーク）	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	OS2 と同じ	—	OS2 と同じ	曲げ耐性
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0.2 / 0.17	DWDM 用 NZ-DSF。長距離用の超低損失

PMD とグレードごとの伝送距離: 伝送距離の表。

トランシーバーにとっての意味

モジュールのコネクター種別とファイバー種別は線路に一致していなければなりません。SR/SR4 は OM3/OM4 に、それ以外はすべて OS2 に対応します。
レーザーの発光条件（VCSEL の場合はエンサークルドフラックス）は規格で定義されており、マルチモードの帯域幅の数値が成立するようにしています — 規格を外れたモジュールは表が約束する距離より短い距離しか届きません。
マルチモードファイバー上のシングルモードモジュール（モードコンディショニングパッチコードを使用）は 1G 時代の手法でした（OM1 上の 1000BASE-LX）。これは 10G 以上には通用しません。

CodingBox では

モジュールはホストに対し、自分がどのファイバー向けかを伝えます。コネクターコード、波長、そして SMF、OM1、OM2、OM3、OM4 の長さフィールド — 上と同じグレードです。CodingBox はそれらを表示するため、モジュールがベンチを離れる前にファイバーの疑問を解決できます（Check transceiver、メモリマップ）。

これらの原理から生まれる標準化されたファイバー — ITU-T G.652 から G.657、OM1–OM5 のマルチモードグレード、特殊ファイバー、異種ファイバー間の接続損失、そして敷設済みのものを識別する方法: ファイバー種別。

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