光ファイバーリンク：光がデータを運ぶ仕組み

本ドキュメントのあらゆる題材は、同じ場所に行き着きます——赤外光のパルスを運ぶ、厚さ10分の1 ミリメートルのガラスの糸です。光ファイバー通信リンクとは、パルスを生み出す送信器、それを運ぶファイバー設備、そしてビットに戻す受信器に、コネクター、パッチパネル、スプライス、スプリッター、フィルターなど間にあるすべてを加えたものを指します。本セクションでは、リンクを設計・試験し、障害を切り分けるために必要な深さで、この連鎖の背後にある物理学と工学を説明します——光がなぜファイバー内にとどまるのか、何が光を弱めにじませるのか、特定の光学系がどこまで届くのか、受動設備が何でできているか、どう測定するか、そしてどう故障するかです。

なぜ光ファイバーを使うのか

連鎖

リンクは一連の要素から成り、それぞれが損失を持ち、一部は歪みも伴います。

1. 送信器 — トランシーバー内のレーザーまたは VCSEL で、850、1310 または 1550 nm の光を −8 … +4 dBm で送出する（レーザー）。
2. パッチコード — モジュールから配線盤までの 1–5 m のジャンパー；コネクター端面が2か所。
3. 配線盤／ODF — ジャンパーが、ケーブルに融着接続されたピグテイルと接続するアダプター。
4. ケーブル — 屋内用、屋外用またはハイブリッド、長さは数メートルから数十キロメートル、ファイバー心数は1心から数百心（受動設備）。
5. スプライス、スプリッター、フィルター — 経路上の融着接続、そしてトポロジーが必要とする箇所での PON スプリッターや WDM 合波器。
6. 遠端の配線盤とパッチコード — 近端と鏡合わせの構成。
7. 受信器 — 遠端トランシーバー内のフォトダイオードで、種類に応じて −12 … −28 dBm を必要とする（受信器）。

リンクバジェットとは、2から6の損失を合計し、1と7の差と比較して、マージンを残すための算術です（リンクバジェット工学）。

リンクを制限する4つの要因

光ファイバーを一段落で

光がコア内にとどまるのは、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりわずかに高いためです——全反射です。シングルモードファイバー（コア径 9 µm）は光の経路を1本だけ伝搬させ、数十キロメートルまで届きます。マルチモードファイバー（コア径 50 µm）は数百の経路を伝搬させますが、それぞれ到達時刻がわずかに異なるため数百メートルに限られる一方、安価な 850 nm の VCSEL で動作できます。モード、開口数、曲げ損失、ファイバー等級 OM1–OM5 と OS2 といった詳細は、 光がファイバー内をどう伝わるかと コネクターとファイバーの種類で扱います。

光ファイバーリンクの世代

この歴史のトランシーバー側については、トランシーバーとはを参照してください。

さらに詳しく

• 光がファイバー内をどう伝わるか — 屈折率と全反射、開口数、モード、シングルモードとマルチモード、モードフィールド径、カットオフ波長、曲げ損失、ファイバー等級。
• 減衰と伝送窓 — レイリー散乱と吸収、水のピーク、 850／1310／1550 nm の窓、ファイバーと波長ごとの dB/km、コネクターとスプライスの損失。
• 分散と帯域幅 — モード分散、波長分散、偏波モード分散、帯域幅と距離の積、分散が制限する伝送距離、補償。
• ファイバーの種類 — ITU-T G.652–G.657 のシングルモード、 OM1–OM5 のマルチモード等級、特殊ファイバー、異種ファイバー接続の損失、敷設済みファイバーの識別。
• 非線形効果 — SPM、XPM、FWM、ブリルアン散乱とラマン散乱、影響が生じる場面、最適な送信パワー、抑制策。
• 反射と反射減衰量 — フレネル反射、反射率と ORL の違い、構成要素ごとの標準値、規格が求める要件、測定方法、反射を低く抑える方法。
• ファイバーの製造方法 — 材料、MCVD／OVD／VAD／PCVD によるプリフォーム、線引きと被覆、プルーフ試験と QA、特殊ファイバー、現場での意味。
• 信頼性と経年劣化 — 強度と静疲労、曲げとひずみの規則、経年劣化のメカニズム、各部品の使用年数、時代ごとのファイバー、経年劣化を見込んだ設計。
• リンクバジェット工学 — 方程式、損失の許容値、ペナルティ、マージンの方針、計算例、受信器の過入力と減衰器。
• 受動設備 — ケーブル、配線盤、ピグテイル、スプライス、減衰器、スプリッター、WDM フィルター、収容箱とその損失許容値。
• ケーブルの構造 — 各層、ルースチューブから OPGW やロール可能リボンまでのケーブル系統、難燃等級、色コード、ケーブルのデータシートの読み方、ケーブルの選定。
• 光ファイバーネットワークトポロジー — 点対点、リング、メッシュ、PON ツリー、WDM；構造化配線、データセンターのパターン、FTTx、ファイバー心数計画、保護。
• ケーブルルートと敷設 — 管路、直接埋設、架空、屋内配線経路；曲げと張力の限界、ルート計画、クロージャ、ラベリング、受入試験。
• 文書化とラベリング — 記録一式、識別方式、ラベル、規格、ツール、プロセスとよくある不備。
• 能動光インフラ — 受動と能動の違い、能動要素の一覧、デシベルの行方、所有区分と責任分界、ライフサイクル。
• リンク内のトランシーバー — モジュールをファイバーと距離に合わせる、モジュール側から見たバジェット、コネクターと極性、互換性、診断機能、よくある不整合。
• 増幅器と再生 — バジェットが尽きるとき、 EDFA／ラマン／SOA／OEO、設置場所、OSNR バジェット、増幅された線路の運用、増幅か再生かコヒーレント化か。
• 伝送・アクセス機器 — メディアコンバーター、トランスポンダ、ROADM、OLT／ONU、保護スイッチ、電源と局舎、管理、落とし穴。
• 監視と管理 — 可視性の階層、アラームとその意味、ベースラインと傾向、プロトコルとツール、モジュールとファイバーのデータの相関。
• 融着接続と端末処理 — 融着接続の工程、メカニカルスプライス、ピグテイルと現場付けコネクター、受け入れ基準と不良。
• 試験と測定 — 光源とパワーメーター、OTDR、反射減衰量、端面検査、認証、DDM をメーターとして使う方法。
• OTDR トレースの読み方 — セットアップパラメータ、イベント一覧、デッドゾーンとダイナミックレンジ、双方向平均、距離からルートへの換算、誤読、活線と PON。
• 端面検査とクリーニング — 汚染が及ぼす影響、IEC 61300-3-35 のゾーンと基準、機材と技法、汚染の種類、クリーニング方法、手順。
• ファイバー特性評価 — 必要になる場面、試験項目、サービスごとの限界値、ファイバーの識別と経年を読み取る方法、手順と報告。
• ファイバー設備の障害 — 曲げ、汚れ、不整合、不良なスプライス、反射、水分：症状、特徴、対処法。
• 保守と復旧 — 予防保守サイクル、監視、予備品、復旧プロセス、障害の根本原因、設備のライフサイクル。
• 安全と取り扱い — レーザークラスと危険レベル、活線に関する規則、ガラスと薬品、現場の危険、モジュールとコードの取り扱い。
• 規格マップ — ITU-T、IEC、TIA／ISO、Telcordia、 IEEE／OIF と各国文書を団体別・用途別に整理し、呼称を並べて比較。
• 光ファイバー用語集 — 光、ファイバーとケーブルの種類、受動部品、コネクター、敷設、試験と運用の用語。
• 標準値 — 減衰、損失許容値、反射率、幾何仕様、分散、機械的限界、波長、OTDR の数値、インターフェースのバジェット、パワーと安全性。
• 計算式と計算 — デシベル、減衰、導波パラメータ、分散、リンクバジェット、反射、OTDR、レイテンシ、力学と計画上の数量を、それぞれ計算例付きで解説。

CodingBox では

トランシーバーの DDM は、リンクに内蔵されたパワーメーターです。一方の端では送信パワー、もう一方の端では受信パワーを示し、その差が設備損失になります——これを CodingBox はベンチ上で、スイッチは稼働中に読み取ります（アプリ内の DDM、 Rx 受光パワーとリンクバジェット）。