光ファイバーの特徴

後光信号が伝わる光ファイバを介して一定の距離を離れると、減衰と歪みが生じ、入力光信号パルスと出力光信号パルスに差異が生じます。これは、光パルスの振幅の減衰と波形の広がりとして現れます。この現象の原因は、光ファイバ内の損失と分散の存在です。損失と分散は光ファイバの伝送特性を記述する最も重要なパラメータであり、システムの伝送距離と容量を制限します。このセクションでは主に、光ファイバの損失と分散のメカニズムと特性について説明します。

★光ファイバーの特徴（その２）

光ファイバの損失特性

光ファイバーの損失は信号の減衰につながるため、光ファイバーの損失は減衰とも呼ばれます。光ファイバー内の距離が増加すると、光信号の強度は次のように減少します。 P(z)=P(0) /10 - (4) ここで、P(z) は伝送距離 z での光パワーです。 P(0) は光ファイバに入力される光パワー、つまり z=0 に注入される光パワーです。 (λ) は、波長における光ファイバの減衰係数 (dB/km) です。 Lは伝送距離です。

t=L のとき、ファイバー減衰係数は次のように定義されます。

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

使用波長 λ が dB のとき、減衰係数を 1 キロメートルあたりの dB 単位で測定すると、A(λ) (単位は dB) は次のように表されます。

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

光ファイバー通信は、光ファイバー製造の継続的な改善、特にファイバー損失の低減とともに発展してきました。ファイバ損失は、光ファイバ通信システムにおける中継距離を決定する主な要因の 1 つです。ファイバー損失には多くの要因、主に吸収損失、散乱損失、追加損失が寄与しており、これらの損失の根底にあるメカニズムは非常に複雑です。以下の説明では、損失のさまざまな原因を説明するために、例としてシリカ光ファイバを使用します。

吸収損失

吸収損失には主に固有吸収、不純物吸収（OHラジカル）、構造欠陥吸収が含まれます。固有吸収には、赤外線吸収と紫外線吸収が含まれます。

赤外吸収とは、光がSiO2からなる石英ガラスを通過する際の分子共鳴によって起こる光エネルギーの吸収です。例えば、Si-Oの吸収ピークは9.1μm、12.5μm、21.3μmにあり、光ファイバの吸収損失は9.1μmで10dB/kmにもなります。紫外線吸収は、電子が光波によって励起されてより高いエネルギーレベルに遷移するときに吸収されるエネルギーです。この吸収は紫外領域で起こるため、通常は紫外吸収と呼ばれます。ガラス材料には鉄や銅などの遷移金属イオンやOH-イオンが含まれています。不純物吸収とは、光波励起下でのイオン振動により生じる電子ステップによる光エネルギーの吸収によって生じる損失です。たとえば、1.39 μm では、OH- イオン濃度が 1 × 10-6 の場合、減衰は 60 dB/km です。

散乱損失

散乱損失は、光エネルギーが散乱の形で光ファイバーの外に放射される損失です。これは、繊維内の密度が不均一であることが原因です。-光ファイバにおける散乱損失の主な種類には、レイリー散乱、ミー散乱、誘導ブリルアン散乱、誘導ラマン散乱、追加の構造欠陥と曲げ散乱、漏洩散乱が含まれます。

光ファイバーの製造中、溶融ガラス内の分子の熱運動により構造内の密度と屈折率が変動し、それが光の散乱を引き起こします。光の波長よりもはるかに小さい粒子によって引き起こされる散乱は、レイリー散乱と呼ばれます。光と同じ波長の粒子によって引き起こされる散乱はミー散乱と呼ばれます。

レイリー散乱はファイバー損失の主な原因です。レイリー散乱は、短波長の 1/λ、つまり R=K/λ に比例する特性を示します。比例定数 K はガラスの構造と組成に関係します。一般に、ガラス転移温度が高く、その組成が複雑であるほど、レイリー散乱損失は大きくなります。

レイリー散乱は入射光の強度の影響を受けます。一方、誘導ブリルアン散乱と誘導ラマン散乱は、光のエネルギー密度がある一定の高い値を超えると発生し、光と媒質の相互作用によって発生します。

追加の損失

追加の損失（またはアプリケーション損失）は、建設、設置、運用中のファイバのねじれや側圧によって引き起こされる損失など、外部要因に起因する損失であり、ファイバのマクロ{0}}曲げやマイクロ-曲げが発生します。

ファイバー損失の原因を図にまとめます。:

光ファイバーの分散特性

物理学では、分散とは、異なる色の光が透明な媒体を通過した後に分散する現象を指します。白色光のビームは、プリズムを通過した後、7 つの色の帯域に分割されます。-これは、ガラスの屈折率が色ごとに異なるためです（周波数や波長が異なると）。波長が長くなるほど（または周波数が低くなるほど）、ガラスの屈折率は低くなります。波長が短いほど（または周波数が高いほど）、屈折率は高くなります。言い換えれば、ガラスの屈折率は光波の周波数（または波長）の関数です。異なる色で構成された白色光が同じ角度 θ で入射すると、屈折の法則 (n=sinθ/n²) に従って、異なる色の光は異なる n² 値により異なる屈折角を持ち、その結果、異なる色の光が分離され、分散が生じます。 n=c/n (c は光の速度、c=3 × 10⁻⁶ m/s) であるため、異なる色の光がガラス内を異なる速度で進むことは明らかです。

光ファイバ伝播理論では、「分散」という用語の意味が拡大されました。光ファイバーでは、信号はさまざまなモードまたは周波数の光波によって搬送および送信されます。信号が端末に到達すると、光波のモードや周波数が異なると伝送遅延の差が生じ、信号の歪みが発生します。この現象を総称して分散と呼びます。デジタル信号の場合、ファイバ中を一定の距離を伝播した後、分散によりパルスの広がりが生じます。ひどい場合には、連続するパルスが重なり合い、シンボル間干渉が形成されます。したがって、分散は光ファイバの伝送帯域幅を決定し、システムの伝送速度または中継距離を制限します。分散と帯域幅は光ファイバーの同じ特性であり、異なる観点から説明されています。

光ファイバの分散は、分散の原因により主にモード分散、材料分散、導波路分散、偏波モード分散に分類されます。これらについては以下に説明します。

モード分散

モード分散は通常、マルチモード ファイバに存在します。マルチモード ファイバには複数のモードが共存し、ファイバ軸に沿った異なるモードのグループ伝播速度が異なるため、必然的に異なる時間に端末に到着し、その結果、時間遅延の差が生じ、モード間分散が形成され、パルス幅が広がります。モード分散によるパルスの広がりを図 2-10 に示します。理想的なシングル-モード ファイバの場合、1 つのモード（基本モード - LP または HE モード）だけが送信されるため、モード分散は存在しませんが、偏波モード分散は存在します。

ここで、ステップインデックス マルチモード ファイバの最大モード分散を推定します。{0}ステップ-インデックスマルチモードファイバのモード分散を図2-に示します11。ステップ-インデックス マルチモード ファイバでは、最も速く伝播する 2 つの光線は、それぞれ軸に沿って伝播する光線 ① と臨界角 0 度で入射する光線 ② です。したがって、ステップインデックスマルチモードファイバの最大モード分散は、光線②がかかる時間（Tmax）と光線①が終端に到達するまでにかかる時間（Tmin）との時間差ΔTとなります。_{マルチプレクサ}: ΔT_{マルチプレクサ} = T_最大 / T_分

幾何光学によれば、長さLの光ファイバーにおいて、軸方向に沿った光線①、②の速度をそれぞれc/n、sinθ・c/nとします。したがって、光ファイバーのモード分散は次のようになります。

弱導波光ファイバー (n が存在するファイバー)_iそしてn_iほとんど違いはありません)、A=(n_i- n)/n。 Δ=1% の場合、n_i= 1.5 はシリカ光ファイバの場合、ファイバ長が 1 km の場合、最大モード間分散 ΔT_mは 50ns として計算できます。したがって、ファイバー長が長くなるほど、モード間分散がより厳しくなることが明らかです。比屈折率差Δが大きいほど、モード間分散はより深刻になります。

材料分散

光ファイバー材料の屈折率は光の波長によって変化するため、光信号の異なる周波数の群速度が異なり、材料分散として知られる現象である伝送遅延の差が生じます。この分散は、光ファイバ材料の屈折率の波長特性と光源の線幅に依存します。

デジタル光ファイバー通信システムでは、実際の光源からの出力光は単一の波長ではなく、特定のスペクトル線幅を持っています。ファイバー素材の屈折率は波長の関数であるため、ファイバー素材内の光の伝播速度 (λ)=c/n(λ) も波長によって変化します。特定のスペクトル線幅を持つ光源から発せられた光パルスがシングルモードファイバーに入射して伝播するとき、異なる波長の光パルスは伝播速度が異なるため、出力端に到達する際に時間遅延の差が生じ、パルスの広がりが生じます。これが物質分散のメカニズムです。

群速度が u=da/dB であることがわかっている場合、単位長あたりの群遅延は T=1/v,=n,/c となります。したがって、長さ L の光ファイバーの材料分散は次のようになります。

式中、c は真空中の光の速度です。 λ はファイバーコアの屈折率です。 λ は光の波長です。 Aλ は光源のスペクトル線幅です。ここで、Aλ=λ - λ は、A を中心とする波長範囲を表します。一般に、分散係数は分散の大きさを測定するために使用されます。分散係数 D (単位: ps/(nm・km)) は次のように定義されます。

分散係数は、光ファイバの単位長さ内を伝播する単位スペクトル線幅を持つ光源によって引き起こされる分散であることがわかります。光ファイバの材料分散係数が既知であれば、材料分散は ΔTm=DmAAL として簡単に計算できます。

例 2-1: 波長 1.31m における光ファイバの最大材料分散係数が D= 3.5ps/(nm・km) であると仮定します。中心波長1.31μmの半導体レーザーを用いてスペクトル線幅λ= 4nmの透過光を生成した場合、この光が1kmの長さの光ファイバー中を伝播することによって生じる材料分散を計算します。

解決策: 光ファイバーの材料分散は次のように簡単に計算できます。

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

例 2-1 に見られるように、材料の分散は比較的小さく、ステップインデックス マルチモード ファイバのモード分散よりもさらに小さいです。光ファイバーの分散係数 (材料の分散係数だけではありません) は正または負の場合があることにも注意してください。光ファイバーでは、群遅延 (A) は搬送波波長とともに増加します。言い換えれば、より短い波長の光波はより速く伝播します。この場合、分散係数は負であり、負分散と呼ばれます。逆に、より長い波長の光波は、より短い波長の光波よりも遅く伝播します。

ここで、分散係数は正であり、正分散と呼ばれます。明らかに、反対の分散係数符号を持つ 2 本の光ファイバーを融着すると、材料の分散が改善されます。

導波路分散

導波路分散 ΔTw は、光ファイバ内の特定の導波モードを指します。波長が異なれば位相定数も異なるため、群速度も異なり、分散も異なります。導波路の分散は、光ファイバの構造パラメータやコアとクラッド間の比屈折率差などのさまざまな要因にも関連します。したがって、構造分散とも呼ばれます。

偏波モード分散

偏波モード分散は、シングルモード光ファイバーに特有の分散の一種です。{0}}シングルモード ファイバは実際には 2 つの相互に直交する偏波モードを伝送するため、その電場はそれぞれ x 方向と y 方向に沿って偏波されます。

光ファイバーの帯域幅

光ファイバーの分散と帯域幅は、同じ特性を表します。実際、分散は、光パルスが送信後に時間軸に沿って広がる程度を表します。これは、時間領域におけるファイバーの特性の説明です。一方、帯域幅は、この特性を周波数領域で表します。周波数領域では、変調信号の場合、光ファイバーはローパス フィルターとみなすことができます。-。変調信号の高周波成分-が通過すると、大幅に減衰します。つまり、入力信号（変調信号）の振幅が一定で周波数のみが変化する場合、ファイバを通過した後の出力信号の振幅は変調信号（入力信号）の周波数に応じて変化します。 TTU-T は、光ファイバーの帯域幅を [キロメートルあたりの帯域幅] に指定することを推奨しています。