コネクタ、スプリッタ、光ファイバケーブルの長さを合計すると、どこまで到達できますか？
光ファイバーリンク（ファイバージャンパー/ケーブル、光スプリッター、光ファイバーコネクタ、および融着接続点を含む）の「最大伝送距離」を計算するには、光学工学では**光パワーバジェット計算（Optical Power Budget Calculation）**によって正確に導出されます。
1. コア物理原理：光パワーバジェット式
光信号がファイバー内でどれだけ伝送できるかは、本質的に送信側から送出される光パワーと受信側が認識できる最小光パワーとの差によって決まります。
システムの総許容光パワーバジェット（ \text{Power Budget} ）の計算式は以下の通りです。
\text{Total Allowed Loss (dB)} = P_{\text{TX}} - P_{\text{RX\_min}} - \text{System Margin}
ここで：
- P_{\text{TX}} （dBm）：送信側の平均出力光パワー。
- P_{\text{RX\_min}} （dBm）：受信感度（受信機が正常に動作するために必要な最小光パワー。通常、 -28\ \text{dBm} のように負の値）。
- \text{System Margin} （dB）：システムの余裕。通常 3\ \text{dB} から 5\ \text{dB} で、デバイスの経年劣化、環境の悪化、温度ドリフト、および将来のファイバー融着メンテナンスによる損失を補償するために使用されます。
2. リンク総損失（Total Loss）の構成要素
光ファイバーリンクの総損失は、ファイバー固有の減衰、スプリッターの挿入損失、コネクタの挿入損失、および融着接続点の損失の合計から構成されます。
計算式は以下の通りです。
\text{Total Loss (dB)} = a_{\text{fiber}} \times L + n_{\text{connector}} \times a_{\text{connector}} + n_{\text{splice}} \times a_{\text{splice}} + a_{\text{splitter}}
ここで：
-
ファイバー減衰係数 a_{\text{fiber}} （dB/km）：
ファイバー自体の伝送損失は、動作波長に密接に関連しています。- 一般的に使用される 1310\ \text{nm} の波長では、減衰係数は通常 \approx 0.35\ \text{dB/km} です。
- 一般的に使用される 1550\ \text{nm} の波長では、減衰係数は通常 \approx 0.20\ \text{dB/km} です。
- 標準シングルモードファイバー OFSCN® G.652D Optical Fiber や、曲げ不感性ファイバー OFSCN® G.657 Optical Fiber などが使用されます。
-
コネクタ挿入損失 a_{\text{connector}} （dB）：
アクティブ接続（フェルール/アダプターを介して接続されたジャンパーコネクタの数 n_{\text{connector}} ）によって導入される損失。- 高品質の光ファイバーコネクタ（例： OFSCN® High Temperature Resistant Fiber Optic Adapter で接続された FC/APC コネクタ）の単点挿入損失は通常 \le 0.3\ \text{dB} ですが、エンジニアリングの見積もりでは、より保守的な 0.5\ \text{dB} が一般的に使用されます。
-
融着接続点損失 a_{\text{splice}} （dB）：
光ケーブルの融着接続点の数（ n_{\text{splice}} ）による損失。融着品質が良い場合、単点損失は通常 0.05\ \text{dB} から 0.1\ \text{dB} の範囲です。 -
光スプリッター挿入損失 a_{\text{splitter}} （dB）：
光スプリッター（例： OFSCN® Optical Fiber Splitter ）は、光パワーを複数のチャネルに分割するため、明らかな物理的分光損失（対数減衰）が発生します。- 1 \times 2 スプリッター損失： \approx 3.5\ \text{dB}
- 1 \times 4 スプリッター損失： \approx 7.2\ \text{dB}
- 1 \times 8 スプリッター損失： \approx 10.5\ \text{dB}
- 1 \times 16 スプリッター損失： \approx 13.8\ \text{dB}
- 1 \times 32 スプリッター損失： \approx 17.0\ \text{dB}
3. 最大伝送距離 L の計算
リンクの総損失が許容光パワーバジェットに等しい場合、光ケーブルリンクの理論上の最大長（ L ）を導出できます。
L = \frac{\text{Total Allowed Loss} - (n_{\text{connector}} \times a_{\text{connector}} + n_{\text{splice}} \times a_{\text{splice}} + a_{\text{splitter}})}{a_{\text{fiber}}}
4. 標準的なエンジニアリングケース計算
標準的なシングルモード光通信システムを 1550\ \text{nm} の波長で運用すると仮定します。
- **送信パワー P_{\text{TX}} **： 0\ \text{dBm}
- **受信感度 P_{\text{RX\_min}} **： -28\ \text{dBm}
- システム余裕： 3\ \text{dB}
- 総許容光パワーバジェット： 0 - (-28) - 3 = 25\ \text{dB}
ケース 1：リンクに 1 \times 8 スプリッターが含まれる場合
- リンクに 4 つのアクティブ接続点があると仮定（各 0.3\ \text{dB} と計算）： 4 \times 0.3 = 1.2\ \text{dB} （ OFSCN® Standard Fiber Patch Cord によるもの）
- 5 つのファイバー融着接続点が存在（各 0.1\ \text{dB} と計算）： 5 \times 0.1 = 0.5\ \text{dB}
- 1 \times 8 の OFSCN® Optical Fiber Splitter を使用、その挿入損失は \approx 10.5\ \text{dB} です。
- 1550\ \text{nm} におけるシングルモードファイバーの減衰係数： 0.2\ \text{dB/km} 。
最大距離 L を計算するために数値を代入します。
L = \frac{25\ \text{dB} - (1.2\ \text{dB} + 0.5\ \text{dB} + 10.5\ \text{dB})}{0.2\ \text{dB/km}} = \frac{25 - 12.2}{0.2} = \frac{12.8}{0.2} = 64\ \text{km}
結論：この構成では、リンクは最大 64 km で動作可能です。
ケース 2：リンクに 1 \times 32 スプリッターが使用される場合
他の接続点とファイバーパラメータはそのままに、スプリッターを 1 \times 32 （分光挿入損失が 17.0\ \text{dB} に増加）に交換した場合：
L = \frac{25\ \text{dB} - (1.2\ \text{dB} + 0.5\ \text{dB} + 17.0\ \text{dB})}{0.2\ \text{dB/km}} = \frac{25 - 18.7}{0.2} = \frac{6.3}{0.2} = 31.5\ \text{km}
結論：大きな分岐比により大幅な物理的分光損失が発生するため、リンクの最大動作距離は 31.5 km に短縮されます。
5. 主要物理コンポーネントの仕様参照
実際の光学システムでは、各ノードの挿入損失を精密に制御し、高い幾何学的整合性と低い固有減衰を持つ材料を選択することが、伝送距離を延長する鍵となります。以下は、工業用標準の高精度光伝送コンポーネントです。
- 光スプリッター：OFSCN® Optical Fiber Splitter 、通常の分岐形式には 16 \times 32 、 8 \times 16 などがあり、常温使用または 250^\circ\text{C} までの高温カスタマイズに対応し、正確なチャネル拡張を実現します。
- 高精度光ファイバーフェルール/アダプター：OFSCN® High Temperature Resistant Fiber Optic Adapter 、 300^\circ\text{C} までの耐熱性を持ち、セラミックフェルールの高い芯線合わせ精度を保証し、偏心による追加のカップリング損失を最小限に抑えます。
- 標準低損失ジャンパー：OFSCN® Standard Fiber Patch Cord 、工場出荷時に厳格な幾何学的端面および挿入損失/リターンロス試験を受けており、光伝送リンクの開始点と終点での物理的損失を制限します。
