シングルモード光ファイバー

光ファイバー通信において、シングルモード光ファイバー（SMF）は基本モードまたはモノモードとも呼ばれ、^[1]単一の光モード（横モード）のみを伝送するように設計された光ファイバーです。モードは、マクスウェル方程式と境界条件を組み合わせることで得られるヘルムホルツ方程式の可能な解です。これらのモードは、波が空間を伝わる方法、つまり波が空間内でどのように分布するかを定義します。波は同じモードを持ちますが、周波数が異なる場合があります。これはシングルモードファイバーの場合であり、周波数は異なりますが同じモードの波を持つことができます。つまり、それらは同じように空間に分布し、単一の光線になります。光線はファイバーの長さと平行に進みますが、その電磁振動はファイバーの長さに対して垂直（横方向）に発生するため、横モードと呼ばれることがよくあります。2009年のノーベル物理学賞は、シングルモード光ファイバーに関する理論的研究に対してチャールズ・K・カオに授与されました。 ^[2]標準G.652とG.657は、最も広く使用されているシングルモード光ファイバーの形式を定義しています。^[3]

1961年、エリアス・スニッツァーはアメリカンオプティカル社に勤務中に、シングルモードファイバーの包括的な理論的説明をアメリカ光学会誌に発表した。^{[4] [5]}

コーニングガラス工場（現コーニング社）で、ロバート・マウラー、ドナルド・ケック、ピーター・シュルツは、極めて純粋に作れるが融点が高く屈折率が低い素材である溶融シリカから着手した。彼らは、気相から精製された材料を堆積させて円筒形​​のプリフォームを作り、慎重に制御されたレベルのドーパントを加えることで、減衰を大幅に上げることなく、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりわずかに高くした。1970年9月、彼らは633ナノメートルのヘリウムネオン線で20dB/km未満の減衰を持つシングルモードファイバーを作ったと発表した。^[6]

マルチモード光ファイバーとは異なり、シングルモード光ファイバーはモード分散を示さない。これは、光ファイバーの断面積が非常に小さいため、最初のモードのみが伝送されるためである。したがって、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長距離にわたって各光パルスの忠実度を維持するのに優れている。これらの理由から、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高い帯域幅を持つことができる。シングルモード光ファイバー用の機器は、マルチモード光ファイバー用の機器よりも高価であるが、シングルモード光ファイバー自体は、通常、大量購入すればより安価である。^[要出典]

一般的なシングルモード光ファイバーのコア径は 8 ～ 10.5 μm ^[7]、クラッド径は 125 μm です。分散シフト光ファイバーや非ゼロ分散シフト光ファイバーなど、化学的または物理的に加工されて特殊な特性を持たせた特殊なシングルモード光ファイバーも多数あります。データ速度は、偏光モード分散と色分散によって制限されます。2005 年現在、市販のトランシーバー ( Xenpak^{[アップデート]} )を使用すると、80 km (50 マイル) を超える距離で最大 10 ギガビット/秒のデータ速度を実現できます。最先端のDWDM光システムは、光増幅器と分散補償デバイスを使用することで、 10 Gbit/s で数千キロメートル、40 Gbit/s で数百キロメートルに及ぶことができます。^[8]

最低次の境界モードは、コア径とコアおよびクラッドの屈折率によって決まるファイバーによって課される境界条件についてマクスウェル方程式を解くことによって、対象波長に対して確定されます。最低次の境界モードに対するマクスウェル方程式の解は、ファイバー内に直交偏光場のペアを許容します。これは通信ファイバーでは通常のケースです。

ステップインデックスガイドでは、正規化周波数Vが2.405以下の場合にシングルモード動作が発生します。べき乗法則プロファイルの場合、正規化周波数Vが約2.405未満の場合にシングルモード動作 が発生します。

${\displaystyle 2.405{\sqrt {\frac {g+2}{g}}}}$、

ここで、gはプロファイル パラメーターです。

実際には、直交偏光は縮退モードと関連付けられていない可能性があります。

OS1とOS2は、波長1310 nmと1550 nm（サイズ9/125 μm）で使用される標準シングルモード光ファイバーで、最大減衰量は1 dB/km（OS1）と0.4 dB/km（OS2）です。OS1はISO/IEC 11801で定義されています^[9]、OS2はISO/IEC 24702で定義されています^[10]。

光ファイバー コネクタは、接続/切断機能が必要な光ファイバーを結合するために使用されます。基本的なコネクタ ユニットはコネクタ アセンブリです。コネクタ アセンブリは、アダプタと 2 つのコネクタ プラグで構成されます。光コネクタの製造には高度な研磨および調整手順が組み込まれる可能性があるため、コネクタは一般にサプライヤーの製造施設で光ファイバーに組み立てられます。ただし、クロスコネクト ジャンパーを適切なサイズにする場合など、関連する組み立ておよび研磨操作は現場で実行できます。

光ファイバー コネクタは、電話会社の中央局、顧客敷地内の設備、および屋外設備アプリケーションで使用されます。その用途には次のものがあります。

• 中央局の電話設備と機器間の接続を確立する
• 光ネットワークユニット（ONU）やデジタルループキャリア（DLC）システムなどのリモートおよび屋外プラント電子機器にファイバーを接続する
• 中央局の光クロスコネクト
• 屋外設備のパッチパネルにより、建築の柔軟性が高まり、異なるサービスプロバイダーに属するファイバーを相互接続できます。
• カプラ、スプリッタ、波長分割多重装置（WDM）を光ファイバーに接続する
• テストおよびメンテナンスのために光テスト機器をファイバーに接続します。

屋外設備の用途では、コネクタを地下の浸水を受ける可能性のある地下エンクロージャ、屋外の壁、または電柱に配置することがあります。コネクタを囲むクロージャは、密閉型の場合もあれば、「自由呼吸型」の場合もあります。密閉型クロージャは、破損しない限り、内部のコネクタが温度変動の影響を受けることを防ぎます。自由呼吸型クロージャは、温度と湿度の変動、および結露や、空気中の細菌、昆虫などによる生物学的作用の影響を受ける可能性があります。地下設備内のコネクタは、それらを囲むクロージャが破損したり、不適切に組み立てられたりすると、地下水に浸かる可能性があります。

光ファイバー コネクタに関する最新の業界要件は、Telcordia GR-326「シングルモード光コネクタおよびジャンパー アセンブリの一般要件」に記載されています。

マルチファイバー光コネクタは、複数の光ファイバーを同時に接続するように設計されており、各光ファイバーは他の 1 本の光ファイバーとのみ接続されます。

定義の最後の部分は、マルチファイバーコネクタとカプラなどの分岐コンポーネントを混同しないようにするために含まれています。分岐コンポーネントは、1 本の光ファイバーを 2 本以上の他の光ファイバーに接続します。

マルチファイバー光コネクタは、ファイバー グループの迅速な接続や繰り返しの接続と切断が必要なあらゆる場所で使用できるように設計されています。アプリケーションには、通信会社の中央オフィス (CO)、顧客敷地内の設置、および屋外設備 (OSP) アプリケーションが含まれます。

マルチファイバー光コネクタは、光ファイバーテストで使用する低コストのスイッチの作成に使用できます。もう 1 つの用途は、事前に終端されたマルチファイバー ジャンパーを使用してユーザーに提供されるケーブルです。これにより、現場での接合の必要性が減り、通信ネットワークに光ファイバー ケーブルを配置するために必要な時間数が大幅に短縮されます。その結果、このようなケーブルの設置業者のコストが削減されます。

マルチファイバー光コネクタの業界要件は、GR-1435「マルチファイバー光コネクタの一般要件」で説明されています。

光スイッチは、伝送媒体内の光信号を選択的に送信、リダイレクト、またはブロックする 2 つ以上のポートを備えたコンポーネントです。^[11] Telcordia GR-1073によると、光スイッチは状態を選択または変更するために作動させる必要があります。作動信号 (制御信号とも呼ばれる) は通常は電気的ですが、原理的には光または機械的なものでもかまいません。(制御信号の形式はブール型で独立した信号である場合もあります。または、光作動の場合、制御信号は入力データ信号にエンコードされる場合があります。スイッチのパフォーマンスは、通常、コンポーネントの通過帯域内の波長に依存しないように意図されています。)

光ファイバーにおいて、四重クラッドファイバーは4つのクラッドを持つシングルモード光ファイバーです。^[12]各クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっています。互いの相対屈折率は、コアからの距離の順に、最低、最高、低い、高いの順になっています。

4 重クラッド ファイバーには、マクロベンディング損失が非常に低いという利点があります。また、2 つのゼロ分散点があり、単一クラッド ファイバーや二重クラッド ファイバーよりも広い波長範囲にわたって分散が適度に低くなっています。

• 信号の劣化なし
• 低分散
• 長距離通信に適している

• 製造と取り扱いがより困難
• 価格が上がる
• 光ファイバーへの光の結合が困難

• グレーデッドインデックスファイバー
• マルチモード光ファイバー
• 光導波路

•  この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン コンテンツが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「光ファイバーの種類」。2018年6月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年11月8日閲覧。

• 光学: シングルモード ファイバー | MIT レーザーと光学のビデオ デモンストレーション
• 光学: マルチモード ファイバー | MIT レーザーと光学のビデオ デモンストレーション