「光ファイバーの減衰」とは？ | What is optical fiber attenuation?

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なぜ1550nmの損失が最小なのですか？100km走行後、どれくらい光が残りますか？

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光通信と光ファイバー光学の分野では、光ファイバー内を伝送される光の減衰（損失）は、基本的な物理的メカニズムによって決定される中心的なパラメータです。ここでは、「なぜ 1550\text{ nm} の波長で損失が最小になるのか」および「光信号が 100\text{ km} 伝送された後に残る割合」について、学術的および工学的な観点から解説します。

1. なぜ 1550\text{ nm} の損失が最小になるのか？

石英ガラス（二酸化ケイ素、\text{SiO}_2 ）ファイバーの減衰は、波長によって主に以下の 3 つの競合する物理的メカニズムによって支配されます。

  1. レイリー散乱（Rayleigh Scattering）
    • 原理：ファイバーの引き伸ばしと冷却の過程で、内部に二酸化ケイ素分子レベルの不均一性や微小な屈折率の変動が生じ、光が散乱されます。
    • 波長依存性：レイリー散乱の損失係数は波長の 4 乗に反比例します（すなわち、1 / \lambda^4 に比例します）。これは、波長が増加するにつれて散乱損失が非常に速い速度で減少することを意味します。
  2. 赤外吸収（Infrared Absorption / Phonon Absorption）
    • 原理：これは、二酸化ケイ素分子格子固有の振動（主に Si-O 結合の曲げおよび伸縮振動）が光子のエネルギーを吸収することによって発生します。
    • 波長依存性：赤外吸収は主に遠赤外領域で発生しますが、近赤外領域（波長が 1.6\ \mu\text{m} または 1600\text{ nm} より大きい）では、その吸収の裾が急激に上昇し始めます。
  3. 水酸基（ \text{OH}^- ）吸収ピーク（水ピーク）
    • 原理：ファイバー内に残留する微量の水分に含まれる \text{OH}^- イオンは、近赤外波長帯で振動吸収を起こし、最も顕著な吸収ピークは 1383\text{ nm} 付近にあります。現代の低水ピークファイバー（例：G.652D）は、特殊なプロセスによってこの水ピークを大幅に除去していますが、従来の非低水ピークファイバーでは、このウィンドウで局所的に損失が増加する傾向があります。

総合結果

上記の損失要因を合計する（下図のレイリー散乱の減少傾向と赤外吸収の増加傾向が交差する）と、1550\text{ nm} （一般に C バンドと呼ばれる）付近で、石英媒質は物理的限界における最小損失点にちょうど到達します。その典型的な減衰係数は約 0.18\text{ dB/km} から 0.20\text{ dB/km} 程度です。これが、1550\text{ nm} が長距離基幹光ネットワークの主要波長として広く使用されている物理的な理由です。

2. 100\text{ km} 伝送するとどのくらい光が残るか？

光ファイバー光学では、減衰は対数単位のデシベル（ \text{dB} ）で計算されます。入力光パワーが P_{\text{in}} 、出力光パワーが P_{\text{out}} 、ファイバー長が L （単位 \text{km} ）、ファイバー減衰係数が \alpha （単位 \text{dB/km} ）であるとすると：

総減衰（ \text{Loss} ）の計算式：

\text{Loss} = \alpha \times L

光パワーの残存率の計算式：

\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} = 10^{-\frac{\text{Loss}}{10}}

1550\text{ nm} 波長で動作する単一モード石英ファイバーについて、工学的に一般的な 3 つのシナリオで正確に計算します。

1. 標準単一モード裸ファイバー（典型的な損失 \alpha = 0.20\text{ dB/km} ）

これは現在の一般的な単一モードファイバーの最も典型的な仕様です。

  • ** 100\text{ km} における総減衰**： \text{Loss} = 0.20\text{ dB/km} \times 100\text{ km} = 20\text{ dB}
  • 残存光パワー率： \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} = 10^{-20/10} = 10^{-2} = 1\%
  • 結論：ちょうど ** 1\%** の光パワーが残ります（ 99\% が損失します）。

2. 高品質/超低損失単一モードファイバー（典型的な損失 \alpha = 0.18\text{ dB/km} ）

高純度で高品質な裸ファイバーは、1550\text{ nm} でより優れた損失特性を実現できます。

  • ** 100\text{ km} における総減衰**： \text{Loss} = 0.18\text{ dB/km} \times 100\text{ km} = 18\text{ dB}
  • 残存光パワー率： \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} = 10^{-1.8} \approx 1.58\%
  • 結論：約 ** 1.58\%** の光パワーが残ります。

3. 実際のケーブル化および敷設後の状態（保守的な推定損失 \alpha = 0.22\text{ dB/km} ）

実際の 100 km のエンジニアリングリンクでは、ファイバー自体の減衰に加えて、ケーブル化によるマイクロベンディング損失、および途中の多数のファイバー接続点（コネクタ損失）など、実際の減衰が含まれます。

  • ** 100\text{ km} における総減衰**： \text{Loss} = 0.22\text{ dB/km} \times 100\text{ km} = 22\text{ dB}
  • 残存光パワー率： \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} = 10^{-2.2} \approx 0.63\%
  • 結論：約 ** 0.63\%** の光パワーが残ります。

注意：残存する絶対的なパワー率は非常にわずかに見えますが、光ファイバー通信システムの受信端（光検出器、光モジュールなど）は非常に高い検出感度（例えば、-30\text{ dBm} 以下、あるいはそれ以下の微弱な信号も受信可能）を備えているため、信号が 99\% 以上減衰しても、中継器なしで高品質なデータ復調と復元を完全に誤りなく実現できます。

3. 関連する公式特殊ファイバー技術

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.（OFSCN®）は、標準単一モード G.652D ファイバーコアまたは 1550\text{ nm} 減衰特性向けに設計された、さまざまな特殊ファイバー製品を提供しています。これらの製品は、通常の環境で優れた性能を発揮するだけでなく、高温、高応力、または偏波保持環境でも優れた伝送指標を維持します。