光ファイバー通信では、光はガラスの中を驚異的なスピードで進み、毎秒数十億ビットの情報を運びます。光ファイバーは、インターネット、クラウド・コンピューティング、そして現代的な通信の存在を可能にした、これまでに生み出された最も驚くべき技術のひとつである。.

しかし、光のように速くて純粋なものでさえ、途中で問題にぶつかることがある。.

目次

光ファイバーにおける分散とは？

前回の記事“光ファイバーの仕組み：光の背後にあるシンプルな科学,光ファイバーは、ガラスコアの中で絶えず反射しながら、その内部を進む。光が光ファイバーの中を進むとき、常に完全に同期しているわけではありません。.
すべての信号がほぼ光速で移動するにもかかわらず、信号の一部は他の部分より少し早く、あるいは遅く到着する。例えば、青色光（短波長）は赤色光（長波長）よりも速く伝わる。. 異なる光成分間のこのわずかな遅延を、我々はこう呼んでいる。 分散である。.

わかりやすく言えば、"ヴェニュー "である、, 分散 を指す。 光パルスの広がり 光パルスはファイバー内を伝播する。光パルスは短く鋭いままではなく、時間と共に徐々に広がっていく。こうなると、レシーバーは「0」と「1」を明確に区別できなくなり、ビット・エラーの可能性が出てくる。.

分散とは、一緒にスタートしたマラソン・ランナーたちが、全員同時にゴールにたどり着けないような状態を想像してもらえばいい。レース（距離）が長ければ長いほど、ランナーたちは分散していきます。光ファイバーでは、この「分散」がデータ信号のブレを引き起こします。.

なぜ分散が重要なのか

ディスパージョンは パワー 減衰のように光信号の 形が歪む 送信パルスのパルスが広がりすぎると、重なり始める。 符号間干渉.

このため 帯域幅 そして 最大伝送距離 光ファイバーリンクの.

パルス幅拡大を説明するためによく使われる簡略化された方程式は以下の通りである：

ΔT=D×Δλ×L

どこでだ：

  • ΔT = パルス幅(ps)
  • D = 分散係数（ps/nm・km）
  • Δλ = 光源のスペクトル幅（nm）
  • L = ファイバー長 (km)

例えば、レーザーのスペクトル幅が1 nmで、ファイバーの分散が17 ps/nm・kmの場合、50 km後にパルスは850 ps広がることになり、高速信号を著しく歪ませるのに十分である。.

で定義されているように、分散は高速光通信システムの設計において最も重要なパラメータの1つである。 ITU-T G.650.3, これは、色分散に関する標準的な測定方法を提供するものである。.

光ファイバーにおける分散の種類

光パルスがファイバー内で広がるメカニズムにはいくつかある。.
主な4つのタイプがある：

  1. 材料分散
  2. 導波管分散
  3. 偏波モード分散（PMD）
  4. 複合一貫輸送の分散

これらはそれぞれ異なる方法で信号に影響を与える。まず、シングルモード・ファイバーで最も一般的な最初の2つから説明しよう。.

材料分散（色分散）

材料分散 なぜなら 光の波長（色）が異なると、同じ物質でも進む速度が異なる。.

ガラスの屈折率は波長によってわずかに変化し、青い光は赤い光よりも曲がる。.

シングルモード・ファイバーでは、波長スペクトル全体にわたる屈折率（n）のわずかな差でさえ、測定可能なパルスの広がりを引き起こす可能性があります。.

数学的には、材料効果による分散係数は次のように表すことができる：

光ファイバー分散-材料分散式

(出典: Govind P. Agrawal, “Fiber-Optic Communication Systems,” Wiley, 2012)

その頃 1310 nm, シリカガラスの屈折率曲線は平坦になり、材料分散はほぼゼロになります。初期の光学システムがこの波長に最適化されていたのはそのためだ。.

しかし、その時点では 1550 nm (減衰が最も少ない場所)では、材料の分散が著しく増加するため、分散シフト・ファイバーのような更なるエンジニアリング・ソリューションが必要となった。.

例え話：
プリズムが白色光を虹色に分割することを思い浮かべてください。ファイバー内部では、これは色を作りませんが、タイミングの違いは生じます。.

導波管分散

一方、材料の分散はガラスの特性に依存する、, 導波管分散 に依存する。 幾何学と構造 光ファイバー自体の.

光はコアの内部に完全にとどまるわけではなく、一部はクラッドを通過する。これらの領域は屈折率が異なるため、光の全体的な伝播速度は、エネルギーがコアにどれだけ留まるか、クラッドにどれだけ漏れるかによって決まる。.

導波管分散は、この2つの層間の光エネルギー分布から生じる。.

導波管分散の式は次のように書ける：

光ファイバー分散-導波路分散式

どこ β は伝搬定数で、ファイバーのモード形状と構造に関係する。.

慎重に設計することで コア径 そして 屈折率差, エンジニアは導波管分散を作ることができる。 あいなかばする として知られているものを作り出す。 分散シフトファイバ (DSF), の下で標準化されている。 ITU-T G.653.

これらのファイバーは、ゼロ分散波長を1310nmから1550nm付近まで「シフト」させることで、長距離伝送に理想的な低損失と低分散を同じウインドウで実現する。.

偏波モード分散（PMD）

シングルモード・ファイバー（光の経路が1つしか存在しないはずのもの）であっても、すべての光がまったく同じように進むわけではない。.
光にはさまざまな性質がある。 偏光, つまり、電界はわずかに異なる方向に振動することができる。.

理想的なファイバーでは、すべての偏波が同じ速度で移動する。.
しかし、現実の世界では、ファイバーの形状の小さな欠陥や外部応力（曲げやねじれなど）により、異なる偏光が わずかに異なる速度.

この現象は 偏波モード分散（PMD）.

2つの偏光状態の間の到着時間の差は、次のように呼ばれる。 ディファレンシャル・グループ・ディレイ（DGD）, で測定される。 ピコ秒.

数学的には次のように近似できる：

光ファイバー分散-偏波モード分散式

どこでだ：

  • τPMD = 全偏波モード遅延
  • ディーピーエムディー = PMD係数 (ps/√km)
  • L = ファイバー長 (km)

最近のシングルモード・ファイバーの典型的なPMD値は、およそ次の通りである。 0.1 ps/√km.
これは小さなことに思えるかもしれませんが、長距離や高速のシステム（40Gbps以上）では、わずかな偏波遅延でもパルスの重なりを引き起こしかねません。 ビットエラー.

並走する2人のランナーのように、一方がもう一方よりわずかに速いと考えることができる。長い距離を走れば、ほんのわずかなスピードの差でも、一方は大きく遅れをとってしまう。.

インターモーダル分散（モーダル分散）

一方、PMDはシングルモードファイバーで起こる、, インターモーダル分散 でしか発生しない。 マルチモードファイバー.

マルチモード・ファイバーは、コアが非常に大きく（通常50～62.5μm）、複数の光路、つまり「モード」を同時に伝送することができる。.
それぞれのモードは、コアを通過するルートが微妙に異なる。中心をまっすぐ進むものもあれば、急角度で壁に跳ね返されるものもある。.

これらの経路は長さが異なるため、それぞれのモードで進行する光は異なる時間に到着する。この到着時間の違いが モーダル分散.

近似式：

光ファイバー分散-中間分散式

どこだ？

  • n₁ = コアの屈折率
  • Δ = コアとクラッドの相対屈折率差
  • c = 真空中の光速
  • L = ファイバー長

このような分散は 主な制限 マルチモードファイバーシステムの.
モードが多ければ多いほど拡散が起こり、伝送距離と帯域幅が制限される。.

これを軽減するために、エンジニアは次のようなものを開発した。 グレーデッド・インデックス・マルチモード・ファイバー, ここで、屈折率は中心から端に向かって徐々に減少する。.
この滑らかなプロフィールは、異なるモードの移動時間を均等化するのに役立ち、より長い経路を通る光線はより速く移動し、遅延のバランスをとる。.

その結果、最新のOM3およびOM4マルチモードファイバーは、許容可能な分散性能で高速信号（10～40Gbps）を数百メートル伝送することができる。.

分散をどのように管理し、補うか

分散を完全になくすことはできないが、分散をなくすことはできる。 マネージド そして だいしょう.
現代の光学システムで使われているいくつかの技術を紹介しよう：

  1. 分散補償ファイバ(DCF)
    で設計された特殊なファイバー。 負の分散, 全色分散を相殺するために伝送ファイバーと直列に使用される。.
    デジタル補償が普及する以前の長距離システムでは一般的だった。.
  2. 分散補償モジュール（DCM）
    長距離にわたって蓄積される分散を逆転させる小型の光学装置（ファイバーグレーティングやレンズを使用）。.
    リピーターやアンプに設置されることが多い。.
  3. 電子・デジタル信号処理（DSP）
    最新のトランシーバーは、分散効果をリアルタイムで検出してデジタル補正できるため、高速システム（100G以上）のパフォーマンスが大幅に向上する。.
  4. ファイバー設計の最適化
    組み合わせることで 材料と導波管分散, ファイバー設計者は、次のような「ゼロ分散波長」ファイバーを作ることができる。 G.653 (分散シフトファイバ）と G.655 (非ゼロ分散シフトファイバ）。.
    これらのファイバーは、主要な波長での分散を最小限に抑え、効率的な伝送を可能にします。 DWDM (高密度波長分割多重) トランスミッション.

分散がネットワーク・パフォーマンスに及ぼす影響

分散は、光ファイバー・ネットワークにおけるデータの伝送距離と伝送速度に直接影響する。.
最も一般的な影響には以下のようなものがある：

  • パルス幅拡大 - 光のパルスが重なり、ビットの区別がつきにくくなる。.
  • 帯域幅の削減 - エラーを避けるためにはデータレートを下げなければならない。.
  • 高いビット誤り率（BER） - パルスの重なりは、誤ったデータ解釈を引き起こす。.
  • システム同期の問題 - チャンネル間の遅延差はタイミング精度を低下させる。.

例えば、10Gbpsシステムでは、色分散は 17ps/nm・km 80kmを超えると、パルス幅が1.3ナノ秒（およそ13ビットの長さ）以上広がり、大きな信号歪みを引き起こす可能性がある。.

そのため、分散を管理することは、ファイバーの種類の選択から、互換性のあるコネクター、アダプター、接続方法の選択まで、ネットワーク設計のあらゆる段階で不可欠です。.

よくある質問光ファイバーにおける分散

光ファイバーにおける分散の原因は？

ファイバーの材質や形状により、光の波長やモードが異なると、パルスの広がりが生じます。.

シングルモードファイバーの場合、, 色分散（材料＋導波管） そして 偏波モード分散（PMD） が主な貢献者である。.

マルチモード・ファイバーのコアを通過する複数の光モード

分散補償ファイバーまたはモジュールの使用、適切なファイバー・タイプの選択（G.652D、G.655、G.657など）、狭スペクトル・レーザーの使用。.

パルス幅の広がりは距離とともに蓄積されるため、制御しないと、高速信号が歪み、長時間の伝送では読めなくなる。.

まとめ

分散は誤りではなく、ガラス中の光の自然な性質だ。.
しかし、管理されずに放置されると、信号がぼやけ、帯域幅が制限され、ネットワークのパフォーマンスが低下する可能性がある。.

4つの主なタイプを理解することで 材料、導波管、偏光モード、および相互モード分散 - エンジニアは、より信頼性が高く効率的な通信システムを設計することができる。.

適切なファイバー・タイプ、最適化された設置方法、最新の補償技術により、分散を効果的に制御することができ、光は、たとえ数千キロメートル以上であっても、情報をクリーンかつ正確に伝送することができます。.