ファイバ回路入門：現代高速通信を支える光ファイバ技術の基礎

光ファイバセットアップ（出典：Wikimedia Commons）

かつては電気ケーブルが主流でしたが、長距離・大容量通信の需要に応えきれませんでした。そこで登場したのが光ファイバです。光ファイバは極めて高速で大量のデータを伝送できるため、インターネット回線の多くで採用されています。欠点としてファイバ回路故障がありますが、高密度マルチファイバアレイでは無視できるレベルです。

コンパクトで慢性埋め込み型、高密度アレイのファイバ光回路について詳しく知りたい方は、まさにうってつけの記事です。さっそく始めましょう。

ファイバ回路とは

ファイバ光学は、情報伝達の様々な方式と同じ考え方を用います。例えば電話には有線ケーブルがあります。

光ファイバ回路（出典：Wikimedia Commons）

ファイバ回路とは、情報を乗せた電子（正確には光子）が伝わる経路です。光が情報キャリアとなり、全反射を利用して透明な光導波路内を伝播します。音声はデバイスから壁のソケットへ、さらに局舎へと伝わりますが、初期過負荷故障の可能性があります。

一方、携帯電話はケーブルを使わず、不可視の電波と大規模ニューラルダイナミクスで情報をやり取りします。

光ファイバの種類

光ファイバは伝搬モード（光ビームの通過様式）が異なります。光が異なる角度で跳ね返ったり、コア中心を直進したり、低角度で反射したりします。主に2種類に大別されます。

シングルモードファイバ（SMF）

ガラスコアの直径が小さく（約9µm）、長距離伝送に適しています。小径ゆえに信号減衰が少なく、レーザー光源を用いて単一モードで伝播させるため、より直接的なルートで高帯域幅を実現します。ただし、微小なコアへレーザー光を結合するには精密な調整が必要で、コストが高くなります。

マルチモードファイバ（MMF）

コア径が大きく（50〜62.5µm）、光信号がコア内で多重反射しながら伝播します。大径ゆえに複数の光パルスを同時に送れ、データ伝送量が多い反面、モード分散による信号損失や干渉が生じやすいです。光源はLEDで、シングルモードより安価です。

ファイバ回路の動作原理

ファイバ回路は、光子（光粒子）として情報を光ファイバケーブル内を伝送させます。クラディング（外皮）とガラスコアの屈折率が異なるため、入射光は特定角度で屈折します。光信号がファイバ内を進む際、コアとクラディングの境界で全反射を繰り返し、ジグザグに伝播します。この全反射こそが光を導波路内に閉じ込める鍵です。

ただし、ガラス層の屈折率により光速の約30%遅れ（約2.1×10⁸ m/s）で伝わります。長距離ではリピータ（中継器）を一定間隔で設置し、光信号を電気信号に変換→処理→再び光信号へ変換して再生します。

ファイバ回路の応用

光ファイバは光変調ビームでデータを伝送し、ネットワーク変調にも利用されます。情報はプラスチックまたはガラスのパイプ内を移動します。このアイデアは1950年代に内視鏡（マルチファイバ光度計）で人体内部を非侵襲観察する目的で生まれました。技術者たちは同じ技術で電話通話を光速で伝送することに着目し、FCC（米連邦通信委員会）も採用しました。光ファイバケーブルは光ファイバ（細いプラスチック/ガラス繊維）の束で構成され、1本で25,000回線以上、ケーブル全体で数百万回線を伝送可能です。要するに、光ベース技術で二地点間を情報伝達します。

ファイバ光回路の設計

ファイバ光回路設計（出典：Researchgate c/p Richard Cole）

回路設計は送信側（トランスミッタ）と受信側（レシーバ）の2大ブロックに分けられます。

ファイバ光トランスミッタ回路

低コストなファイバ光トランスミッタ回路に必要な部品：

• 電池
• ケース
• SK1 3.5mmジャック基板
• 回路基板

半導体

• D1（LED）
• IC1（NE555）
• IC2（1458C）
• Tr1（BC141）

コンデンサ

• C1（220µF 10V 電解）
• C2（390pF セラミック）
• C3（1µF 63V 電解）
• C4（330pF セラミック）
• C5（4.7nF ポリエステル）
• C6（3.3nF ポリエステル）
• C7（470nF ポリエステル）

抵抗（全て1/4W、5%）

• R1（47Ω）、R2（4.7kΩ）、R3（47kΩ）、R4（10kΩ）、R5（10kΩ）、R6（10kΩ）、R7（100kΩ）、R8（100kΩ）

NE555を用いるため、十分な性能が期待できます。IC1のピン5に入力信号を接続して周波数制御可能です。ピン5は分圧回路に接続され、NE555の2/3V+と1/3V+のスイッチング閾値を生成します。上限を変えればC2の充放電時間を調整できます。Tr1がエミッタフォロワバッファ段としてD1（LED）に大電流を供給します。IC1単体でも200mA駆動可能ですが、別途LEDドライバを設ければより精密な電流制御が可能です。R1でLED電流を約40mAに設定しますが、LEDは50%デューティでON/OFFするため実効20mAとなります。R1を調整して出力電流を変えられます。

ファイバ光レシーバ回路

レシーバ回路とフィルタに必要な部品：

• ワイヤー
• SK1 25ピンDコネクタ
• 回路基板
• ケース

半導体

• TR1, TR2 BC549（2個）
• D1
• IC1（4001BE）
• IC2（1458C）
• IC3（CA3140E）

コンデンサ

• C1（100µF 10V 電解）、C2（2.2nF ポリエステル）、C3（2.2nF ポリエステル）、C4（390pF セラミック）、C5（1µF 63V 電解）、C6（3.3nF ポリエステル）、C7（4.7nF ポリエステル）、C8（330pF セラミック）、C9（3.3nF ポリエステル）、C10（4.7nF ポリエステル）

抵抗

• R1（22kΩ）、R2（2.2MΩ）、R3（10kΩ）、R4（470Ω）、R5（1.2MΩ）、R6（4.7kΩ）、R7（22kΩ）、R8（47kΩ）、R9（47kΩ）、R10〜R15（10kΩ、6個）

レシーバ出力がフィルタ入力に接続されます。D1は逆バイアスで動作する検出ダイオードで、漏れ抵抗がLDR効果を生みます。R1は負荷抵抗、C2は検出段と入力増幅段を結合するカップリングコンデンサで、2段の容量結合共通エミッタ増幅段を形成します。TR2に十分な入力電圧振動を与えればモノステーブルマルチバイブレータを駆動でき、80dB以上の電圧利得が得られます。フィルタ段は1458C（a/b）を中心とした18dB/oct（2/3次）フィルタで、トランスミッタ回路でも一般的です。

光ファイバのメリット

• 水中使用可能
• 高帯域幅対応
• 軽量・細径・高強度
• 中継なしで長距離伝送可能
• メンテナンス・交換頻度が低い
• 電磁干渉（EMI）に強い

光ファイバのデメリット

• コストが高い
• 施工が労働集約的
• ケーブルが脆い
• ガラス繊維には更なる保護が必要

結び

ファイバ回路は光ファイバ通信の核心です。銅ケーブルより光ファイバケーブルが好まれるのは、高速伝送・大容量帯域幅などのメリットがあるからです。高性能データネットワークや長距離通信に最適です。

ファイバ回路についてご質問やご提案があれば、お気軽にお問い合わせください。