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様々な光ファイバーケーブルの特性を理解することは、それらの用途を理解する上で役立ちます。光ファイバーシステムを適切に運用するには、どのような種類の光ファイバーが使用されているか、そしてその理由を理解することが不可欠です。光ファイバーケーブルには、マルチモード光ファイバーケーブルとシングルモード光ファイバーケーブルの2つの基本的な種類があります。マルチモード光ファイバーは短距離伝送に最適で、LANシステムやビデオ監視システムに適しています。シングルモード光ファイバーは長距離伝送に最適で、長距離電話や多チャンネルテレビ放送システムに適しています。
マルチモードファイバー
最初に製造され商品化されたマルチモード ファイバー ケーブルとは、多数のモードまたは光線が同時に導波路内を搬送されることを意味します。モードは、光がファイバー コア内を受容円錐内の離散的な角度でのみ伝播するという事実から生じます。この種類のファイバーは、シングルモード ファイバーと比較してコア径がはるかに大きいため、より多くのモードが可能になり、マルチモード ファイバーはシングルモード光ファイバーよりも結合が容易です。マルチモード ファイバーは、ステップ インデックス ファイバーまたはグレーデッド インデックス ファイバーに分類できます。マルチモード ステップ インデックス ファイバー図 2 は、全内部反射の原理がマルチモード ステップ インデックス ファイバーにどのように適用されるかを示しています。コアの屈折率はクラッドの屈折率よりも高いため、臨界角未満で入射する光はファイバーに沿って導かれます。
3 つの異なる光波がファイバーを伝わります。1 つのモードはコアの中心をまっすぐ進みます。2 つ目のモードは急角度で進み、全反射によって前後に跳ね返ります。3 つ目のモードは臨界角を超え、クラッドに屈折します。直感的には、2 番目のモードが最初のモードよりも長い距離を進むため、2 つのモードが別々の時間に到着することが分かります。異なる光線の到着時間のこの差は分散と呼ばれ、その結果、受信側で信号が濁ってしまいます。分散の詳細については、「光ファイバー システムにおける分散」を参照してください。ただし、高分散はマルチモード ステップ インデックス ファイバーの避けられない特性であることに注意することが重要です。マルチモード グレーデッド インデックス ファイバー グレーデッド インデックスとは、コアの屈折率がコアの中心から離れるにつれて徐々に減少することを意味します。コアの中心での屈折率が大きくなると、一部の光線の速度が遅くなり、すべての光線が受信端にほぼ同時に到達できるようになり、分散が減少します。図 3 は、マルチモード グレーデッド インデックス ファイバーの原理を示しています。コアの中心の屈折率 nA は、外側のコアの屈折率 nB よりも大きくなっています。前述のように、コアの屈折率は放物線状で、中心が高くなっています。図 3 に示すように、光線は直線をたどらず、連続的に低下する屈折率によって中心に向かって徐々に曲げられながら、曲がりくねった経路をたどります。これにより、すべてのモードがほぼ同時に到達するため、到達時間の不一致が減少します。直線で移動するモードは屈折率が高いため、曲がりくねったモードよりも遅く移動します。これらは、外核領域の屈折率が低いため、より遠くまで移動しますが、より速く移動します。
シングルモードファイバー
シングルモード光ファイバーは、長距離伝送においても各光パルスの忠実度を維持でき、多重モードによる分散も発生しないため、より高い情報伝送容量を実現します。また、シングルモード光ファイバーはマルチモード光ファイバーよりも光ファイバーの減衰量が少ないという利点もあります。そのため、単位時間あたりに伝送できる情報量が多くなります。マルチモード光ファイバーと同様に、初期のシングルモード光ファイバーは一般的にステップインデックス光ファイバーとして特徴付けられていました。ステップインデックス光ファイバーとは、光ファイバーコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも1段階高い光ファイバーのことで、グレーデッドインデックス光ファイバーのように段階的に変化していくのではありません。現代のシングルモード光ファイバーは、マッチドクラッド、ディプレストクラッド、その他の特殊な構造など、より複雑な設計へと進化しています。
シングルモード光ファイバーには欠点があります。コア径が小さいため、コアへの光の結合が困難になります。シングルモードコネクタやスプライスの許容誤差も非常に厳しくなります。シングルモード光ファイバーは数十年にわたり進化を続けてきました。その結果、現代の通信システムでは3つの基本的なシングルモード光ファイバーのクラスが使用されています。最も古く、最も広く普及しているタイプは、非分散シフト光ファイバー（NDSF）です。これらの光ファイバーは当初、1310 nm付近での使用を目的としていました。その後、1550 nmシステムでは、1550 nm波長での分散が非常に高くなるため、NDSF光ファイバーは望ましくない存在となりました。この欠点に対処するため、光ファイバーメーカーは、ゼロ分散点を1550 nm領域に移動させた分散シフト光ファイバー（DSF）を開発しました。数年後、科学者たちは、DSFは1550 nmの単一波長では非常に良好に動作するものの、DWDMシステムで1550 nm内の複数の近接した波長を伝送すると、深刻な非線形性を示すことを発見しました。最近、非線形性の問題に対処するため、新しい種類の光ファイバが導入されました。これらは非ゼロ分散シフト光ファイバ（NZ-DSF）として分類されます。この光ファイバは正分散と負分散の両方のバリエーションがあり、新しい光ファイバーの導入において急速に選択肢となりつつあります。この損失メカニズムの詳細については、「光ファイバー分散」の記事をご覧ください。
シングルモード ファイバーのもう 1 つの重要な種類は、偏波保持 (PM) ファイバーです。これまでに説明した他のすべてのシングルモード ファイバーは、ランダム偏光を伝送できます。PM ファイバーは、入力光の 1 つの偏光のみを伝搬するように設計されています。これは、偏光入力を必要とする外部変調器などのコンポーネントにとって重要です。図 7 は、ある種の PM ファイバーの断面を示しています。このファイバーには、他の種類のファイバーには見られない特徴があります。コアの他に、ストレス ロッドと呼ばれる 2 つの円が追加されています。その名前が示すように、これらのストレス ロッドはファイバーのコアに応力を生成し、光の 1 つの偏光面のみが伝送されるようにします。シングルモード ファイバーは非線形性があり、システム パフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。
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