1550nmでの1キロメートルあたりの損失は、1310nmよりも小さいのはなぜですか？
標準的な石英シングルモードファイバー（G.652シリーズなど）では、1550\text{ nm} における減衰係数（通常約 $0.18 \sim 0.22\text{ dB/km}$）は、1310\text{ nm} における減衰係数（通常約 $0.32 \sim 0.35\text{ dB/km}$）よりも著しく低くなります。この現象は主に、ファイバー材料の固有の物理的吸収と散乱メカニズムによって決まります。その主な原因は、レイリー散乱（Rayleigh Scattering）と赤外多フォノン吸収（Infrared Absorption）の複合的な累積効果にあります。
1. レイリー散乱の波長依存性（支配的要因）
石英ガラスは製造プロセス中に高温で溶融し、冷却固化する際に、微細な密度不均一性と屈折率のわずかな変動が避けられず、固有のレイリー散乱が形成されます。
レイリー散乱損失係数 \alpha_{\text{R}} は光の波長の4乗に反比例します：
\alpha_{\text{R}} \propto \frac{1}{\lambda^4}
- 波長が \lambda = 1310\text{ nm} の場合、波長が短いためレイリー散乱損失は高く、約 0.30\sim0.33\text{ dB/km} です。
- 波長が \lambda = 1550\text{ nm} に移ると、散乱損失は大幅に低下します：
\frac{\alpha_{\text{R}}(1550)}{\alpha_{\text{R}}(1310)} \approx \left(\frac{1310}{1550}\right)^4 \approx 0.51
レイリー散乱のみで、1550\text{ nm} の損失は 1310\text{ nm} よりも約 50\% 低減（約 0.15\text{ dB/km} まで低下）します。
2. 赤外多フォノン固有吸収の平衡点
石英ガラス分子（$\text{Si-O}$ 結合）は特定の格子固有振動周波数を持ち、その強い基本波の赤外吸収は中遠赤外波長域（約 $9\ \mu\text{m}$）にあります。その高次倍音は近赤外波長域で**赤外吸収端（Infrared Absorption Edge）**を形成します：
- \lambda < 1500\text{ nm} では、赤外固有吸収損失は非常に小さく、ほぼ無視できます。
- 波長が増大するにつれて（特に 1600\text{ nm} を超えると）、赤外吸収損失は指数関数的に急激に増加します。
- \lambda = 1550\text{ nm} では、赤外吸収損失が現れ始めますが、絶対値は依然として非常にわずかです（約 $0.02\sim0.03\text{ dB/km}$）。
3. 総損失極小値ウィンドウ（Cバンドウィンドウ）
シングルモードファイバーの総固有減衰係数は、各減衰メカニズムの重ね合わせとして表すことができます：
\alpha_{\text{total}}(\lambda) = \alpha_{\text{Rayleigh}}(\lambda) + \alpha_{\text{IR}}(\lambda) + \alpha_{\text{UV}}(\lambda) + \alpha_{\text{impurity}}(\lambda)
- 1310\text{ nm} ウィンドウ（Oバンド）：主に強いレイリー散乱によって制約され、総損失は 0.32\sim0.35\text{ dB/km} の間です（この帯域の主な利点は、材料分散がゼロに近いこと、すなわちゼロ分散波長であることです）。
- 1550\text{ nm} ウィンドウ（Cバンド）：レイリー散乱は大幅に低下し、石英材料の赤外吸収はまだ急激に増大していません。低下するレイリー散乱曲線と上昇する赤外吸収曲線がこの帯域付近で交差し、総損失の物理的な極小値の谷（約 $0.18\sim0.20\text{ dB/km}$）を形成します。
まとめ
1550\text{ nm} が 1310\text{ nm} よりもキロメートルあたりの損失が小さい根本的な物理的原因は次のとおりです：光波長が増加すると、\propto \frac{1}{\lambda^4} のレイリー散乱損失が半分になり、同時に石英材料の急激な赤外多フォノン吸収のカットオフ領域にまだ達していないため、石英ファイバー伝送損失が最も低い光学ウィンドウを構成しています。