光ファイバーにおける光パワー損失を低減する方法

現代通信の領域において、光ファイバーは極めて重要な役割を担っています。しかし、光ファイバー伝送における光パワー損失に対処するという課題は、依然として差し迫った懸念事項です。これらのファイバー損失の組み合わせは、ネットワーク伝送効率に影響を与える一方で、ネットワーク管理コストを大幅に増大させます。本記事では、さまざまな光ファイバー損失を包括的に探究し、シームレスで効率的なネットワーク伝送ソリューションを確保するための実用的な対策を提示します。

光ファイバーにおける電力損失とは何ですか？

光ファイバの電力損失とは、光信号伝送における信号強度の減衰または低下を指し、dB/kmで測定されます。これは、光ファイバリンク1 km当たりの信号損失を意味します。伝送中に光信号が受ける抵抗、散乱、吸収などの要因により、光ファイバの電力損失は信号品質の低下、伝送距離の制限、信号ノイズや干渉の増加を招き、通信システムの性能と信頼性に影響を与える可能性があります。したがって、光ファイバの電力損失は、光ファイバ通信の品質を測定する重要な要因の1つです。

 光ファイバーにおける一般的な減衰の概要

光ファイバーにおける吸収損失

吸収損失とは、物理材料が光パワーの一部を吸収することで、光信号（電磁波）の伝送を妨げる現象を指します。光ファイバーの主成分は石英であり、8 ~ 12 μmの赤外線範囲で電子共鳴吸収を示し、パワー吸収が生じます。さらに、一部の材料は紫外線スペクトルに固有の吸収帯を有しており、  その影響は0.7 ~ 1.1 μmの波長範囲まで及びます。 

不純物吸収損失とは、主に遷移金属（例：鉄、コバルト、ニッケル、銅、マンガン、クロム）や水酸基（OH）などの有害な不純物が光ファイバー内の光吸収に影響を及ぼし、その結果として損失を引き起こすことを指します。

光ファイバーの曲げ損失 

光ファイバーの曲げ損失は、光ファイバーケーブルが特定のしきい値を超えて曲げられたりたわんだりした場合に発生し、信号強度の低下につながります。この現象は、光信号とファイバーのコアおよびクラッド構造との相互作用に起因します。光ファイバー内での光伝送中、過度な曲げにより光信号がコアから漏れ出し、クラッドまたは周囲の材料に吸収されることがあります。

光ファイバーの曲げ損失の影響は、コア径が小さく、コアとクラッド間の屈折率差が大きい光ファイバーほど顕著になります。さらに、伝送光の波長も曲げ損失の生じやすさに影響し、波長によっては他の波長よりも大きな影響を受けます。

光ファイバーにおける散乱損失

散乱損失は、ファイバー材料の密度の小さなばらつきや、シリカ、GeO2、P2O5などの成分濃度の違いによるファイバー内の屈折率の不均一な分布から生じます。これらの屈折率の違いにより局所的な不規則性が生じ、光の散乱を引き起こします。その結果、光パワーの一部がファイバー外へ散乱し、この固有の散乱によるパワー損失はレイリー散乱損失として知られています。 

一方、導波路散乱損失についてはよく知られています。光ファイバーの製造工程では、工程上または技術上の問題や偶発的な要因により、ファイバーのコアとクラッドの界面が不完全になる、コア径が変化する、真円度が不均一になる、ファイバー内に気泡や亀裂が残るなど、光ファイバーに構造上の欠陥が生じる場合があります。これらの構造的な不完全性の大きさは光波の波長よりもはるかに大きいため、波長に依存しない散乱損失が生じます。

挿入損失 光ファイバー内

挿入損失とは、伝送システムにコンポーネントまたはデバイスを組み込んだ際に生じる伝送電力の減少です。これは、コンポーネント／デバイスの挿入前に負荷で受信した電力と、挿入後に均一負荷で受信した電力との比率で示されます。コネクタ、スプライス、その他の光学部品の存在によって生じる吸収損失、散乱損失、反射損失など、さまざまな要因が含まれます。挿入損失は低いほど優れており、たとえばOM4の挿入損失は0.3dBですが、一方で OS2光ファイバーケーブル 約0.25dBの挿入損失。

計算式：IL = -10 * log10 (power output / power input)

光ファイバー減衰係数

伝送損失の計算方法に関するヒント 光ファイバー内

光ファイバー損失を正確に計算することは、最適化に不可欠なスキルです 光ファイバーケーブル リンク。まず基本的な計算式を理解することが不可欠です。

既知の公式: 総リンク損失 = ケーブル減衰量 + コネクタ損失 + 光ジョイント減衰量 + 安全マージン

以下では、実例を用いて計算プロセスを説明します。

波長: 1310nm   9μm

ケーブル減衰量: 30Km x 0.4dB/Km=12dB

コネクタ損失: 2 x 0.3dB=0.6dB

光スプライス減衰量: 4x 0.01dB=0.04dB

安全マージン: 3dB

総リンク損失：10.5dB+1.2dB+0.4dB+3dB=15.64dB

 伝送路における光ファイバー損失の影響

伝送損失の原因 信号劣化

光ファイバーの損失は、光通信システム内の信号品質に直接大きな影響を与えます。光信号が光ファイバーケーブル内を伝送する際、散乱、吸収、分散などの内部要因および外部要因との相互作用は避けられません。散乱によって光がさまざまな方向に拡散し、その結果、信号強度が低下します。吸収の過程では光エネルギーの一部が吸収され、最終的に信号全体が減衰します。さらに、分散によって個々の信号成分が異なる時刻に宛先へ到達するため、歪みや信号の重なりが生じます。

実際のシナリオでは、これらのさまざまな形態の損失が相乗的に作用し、最終的に信号カバレッジの低下、データ伝送速度の低下、データの完全性の損失につながります。

光ファイバーの減衰が距離の制限を悪化させる

同様に、距離に伴う信号減衰は、効果的な伝送に対する制約をさらに深刻化させます。これは特に長距離通信に顕著な影響を及ぼします。伝送距離が長くなるにつれて、信号ノイズや干渉などの外部要因に対する感度が高まり、その結果、信号品質が低下してデータエラーが生じる可能性があるため、長距離での効果的な伝送を確保できなくなります。

光ファイバー損失がネットワークコストの増加を招く

信号損失の増加は、ネットワークコストの増加を意味します。ファイバー損失の影響を相殺するため、ネットワークユーザーは一定の間隔で信号増幅装置と信号再生ポイントを戦略的に配置する必要があります。これらの追加設備は、インフラへの初期投資を増加させるだけでなく、保守やエネルギー消費に関する継続的な運用コストも増加させます。その結果、光ファイバー損失という課題は、効率的で信頼性の高い通信ネットワークの構築と維持に経済的な負担をもたらします。

光ファイバーの損失を低減する方法？

前のセクションでは、光ファイバーの減衰がデータ伝送に及ぼすいくつかの悪影響について学びました。では、これらの減衰を低減または除去するために何ができるかについて説明しましょう。

高品質な光ファイバーの選定：まず、減衰係数の低い光ファイバーを使用します。シングルモードファイバーは、マルチモードファイバーと比べて分散および減衰が小さいため、一般的に長距離通信に適しています。

最適化されたファイバー設計: 散乱損失と吸収損失を最小限に抑えるため、コア径が大きく、クラッドが薄いなど、設計特性が最適化されたファイバーを選択します。

効果的な信号増幅: ファイバー経路に沿って、エルビウム添加光ファイバー増幅器(EDFAs)などの光増幅器を組み込みます。これらの増幅器は、過度なノイズを発生させることなく光信号を選択的に増幅し、長距離伝送による信号損失を補償します。

高精度な接続およびコネクタ加工: 接続点での信号損失を最小限に抑えるため、高品質な融着接続と接続性を確保してください。適切に位置合わせされ、良好に保守されたコネクタは、信号反射を低減し、信号完全性を向上させます。

光アイソレータ: 信号品質を低下させる可能性のある戻り反射を防ぐために、光アイソレーターを使用します。これらのデバイスは、反射を減衰させながら信号を一方向に流します。

低損失光ファイバーカプラーおよびスプリッター: 低損失のファイバーカプラーとスプリッターを活用して、大きな損失なしに信号を分岐または結合します。これらのコンポーネントは、効率的なネットワークアーキテクチャに不可欠です。

モードコンディショニングパッチ: マルチモードファイバーにモード調整パッチを使用して信号の入射条件を改善し、モード分散と損失を最小限に抑えます。

適切なケーブル配線：光ケーブルが適切に配線され、曲げ、圧潰、温度変動などの環境要因から保護されていることを確認してください。不適切なケーブルの取り扱いは、マイクロベンディング損失やマクロベンディング損失の原因となる可能性があります。

曲げ損失を回避: 光ファイバーケーブルの過度な曲げを最小限に抑えてください。きつい曲げは曲げ損失につながる可能性があります。適切なケーブル管理手法を使用して、最小曲げ半径を維持してください。

偏波保持ファイバー: コヒーレント通信システムなど、偏波に敏感な用途では、偏波保持ファイバーを使用して信号の偏波を維持し、偏波依存損失を最小限に抑えます。

定期メンテナンス: 光ネットワークの健全性とパフォーマンスを継続的に評価するために、光監視システムを導入します。コネクタ、スプライス、およびその他の光学部品を定期的に点検・清掃し、ほこりや汚染物質によるさらなる損失を防ぎます。

QTでは、光ファイバーケーブルに対して厳格な生産基準と工程を遵守しています、 OS2、OM3を含む、 OM4光ファイバーパッチケーブル オプション用, これにより、お客様は光ファイバー損失を最小限に抑えた費用対効果の高い製品を入手できます。ご要望がございましたら、お気軽にQSFPTEKのCCIE/HCIEエンジニアまでお問い合わせください [email protected].

結論

光ファイバーにおける電力損失には、主に吸収損失、曲げ損失、散乱損失があります。これら3つの損失形態の原因を理解することで、接続部品を最適化し、使用基準を確立し、効果的な管理手法を導入して、光損失を低減できます。さらに、リンク損失の計算式を基本的に理解することは、光ファイバー伝送を最適化する鍵となります。