概要
光ファイバーは、光の信号を伝送するために使用される細いガラスまたはプラスチックの繊維状構造物です。光ファイバーは、高速で大量のデータを長距離に伝送するために広く使用されています。
光ファイバーは、内部に光を反射させることによって信号を伝送します。ファイバーの中央部には、光ファイバーケーブルに入れられる光源からの光が入射します。ファイバー内部には、ガラスまたはプラスチックの芯と、芯を囲むクラッドと呼ばれる層があります。ファイバーの端から入射した光は、クラッドとの境界面で反射し、芯の中を伝播します。このようにして、光信号はファイバーを伝搬し、情報を伝送します。
光ファイバーは、電気信号を伝送する従来の銅線に比べて多くの利点があります。高速、高容量、電気的ノイズに強く、信号の損失が少ないため、長距離での通信に最適です。このため、情報通信、データセンター、医療、航空宇宙、自動車産業、センサー技術などの多くの分野で使用されています。
原理
光ファイバーは、光を伝送するための繊維で、基本的には中心部を通って光が伝播するコアと、外側を覆うクラッドという2つの層から構成されています。次にあげる、主に2つの原理に基づいて動作します。
- 全反射の原理
光ファイバー内部に入射した光は、コアとクラッドの屈折率が異なるため、コアとクラッドの境界面で反射されます。この現象を全反射と呼びます。光はコア内部を通る際に反射しながら進み、曲がりくねった道をたどるように伝わります。 - 多重反射の原理
光ファイバー内部の光は、一般に一度反射すると、次に反射するときには反射角が変化します。このため、光ファイバー内部で光が反射するたびに、光は異なる角度で反射されます。この現象を多重反射と呼びます。
これらの原理により、光ファイバー内部に入力された光は、光ファイバーの一方の端から他方の端へと伝播します。光は、ファイバー内部を通る際に、損失が発生することがありますが、現代の光ファイバーは非常に高い効率で光を伝えることができる工夫がなされています。
特徴 種類
光ファイバーには以下のような特徴があります。
- 高速伝送: 光速で情報を伝達できるため、高速通信に適しています。
- 大容量伝送: 複数の波長の光を同時に伝送することができるため、大量のデータを扱うことができます。
- 軽量・薄型: 細くて軽い素材でできているため、配線などに向いています。
- 耐熱性: 熱に強く、高温の場所にも使用することができます。
- 電磁干渉が少ない: 電気信号を伝送する配線と比べて、電磁干渉が少ないため、安定した信号伝送ができます。
- 安全性: 電気信号を伝える配線と比べ、電気的な問題がないため、安全です。
光ファイバーには、以下のような種類があります。
- マルチモード光ファイバー: 太いコアを持ち、光が伝搬する角度が広く、複数のモードで伝送するため、長距離通信には適していませんが、短距離通信に使用されます。
- シングルモード光ファイバー: 細いコアを持ち、光が伝搬する角度が狭く、一つのモードで伝送するため、長距離通信に適しています。
- プラスチック光ファイバー: プラスチック製で、比較的安価ですが、高速通信には適していません。
- 無鉛ガラス光ファイバー: 無鉛ガラス製で、高速通信に適していますが、価格が高くなります。
- ファイバー増幅器: 光ファイバー内で光を増幅する装置で、長距離通信に使用されます。
- ファイバー分散補償器: 光ファイバー内で生じる分散を補償するための装置で、高速通信に適しています。
歴史
光ファイバーの歴史は比較的新しいものであり、以下のような流れがあります。
1870年代 – 光ファイバーの基礎となる全反射現象が発見される。
1930年代 – 光ファイバーの概念が初めて提唱される。しかし、当時の技術水準では実現不可能であった。
1950年代 – レーザーの発明により、光ファイバーの可能性が再認識される。
1960年代 – シリカガラスを用いた光ファイバーの製造技術が開発される。
1970年代 – シリカガラスを用いた光ファイバーの実用化が始まる。
1980年代 – 光ファイバー通信が商用化され、高速・大容量の通信が実現される。
1990年代以降 – 光ファイバー技術はさらに発展し、光ファイバーを用いたセンシング技術や医療分野などへの応用も広がっている。
今後の可能性
光ファイバー技術は、今後もますます重要性が高まると予想されています。具体的には、以下のような可能性が期待されています。
- 高速・大容量通信の実現：光ファイバーを用いた通信は、高速・大容量・安定した通信を可能にします。今後は、より高速・大容量の通信が求められるようになるため、光ファイバー技術の需要は増加すると予想されています。
- IoTや5Gへの応用：IoTや5Gの普及に伴い、データ量が増加することが予想されます。そのため、より高速・大容量の通信が必要となり、光ファイバー技術が注目されるようになると予想されています。
- 光ファイバーセンシングの進化：光ファイバーを用いたセンシング技術は、様々な分野で使用されています。今後は、より高精度なセンシングが求められるようになるため、光ファイバーセンシング技術の進化が期待されています。
- 医療分野での応用：光ファイバーを用いた医療分野での応用も広がっており、例えば内視鏡に光ファイバーを使用することで、より高精度な診断が可能になります。今後も、光ファイバー技術を用いた医療分野での応用が進むと予想されています。