光ファイバーケーブルの減衰を計算する方法

著者 Yana

日付 12/24/2021

光ケーブルを敷設する前に、エンジニアは光ファイバー信号の詳細な伝送方式を設計します。光ファイバーの実際の損失と信号対雑音比を算出・測定することが、設計上の重要なポイントです。この記事では、光ケーブルの理論的な減衰量の計算方法を紹介し、信号対雑音比の概念について簡単に説明します。

光ファイバーの損失の種類

光ファイバー損失は光ファイバー減衰とも呼ばれ、伝送中の光信号の減衰を測定できます。光ファイバーの減衰は、光の吸収、ケーブルの曲げ、コネクタ損失など、多くの要因によって生じます。光信号は、光ファイバー内の光ファイバー材料によって吸収されます。そのため、光ファイバーにおける光の吸収は材料吸収とも呼ばれます。波長不純物により、光エネルギーは吸収され、熱などの別の形態のエネルギーに変換されます。

一般に、光ファイバーの損失は、光ファイバー自体の固有損失と外部損失という2つの主要な分類に分けられます。その光ファイバーにおける損失の種類光ファイバー固有の特性または外部要因によって分類されます。光ファイバーの固有減衰には、波長分散損失と伝送電力損失が含まれます。外部損失には、融着損失、コネクタ損失、光ファイバーケーブルの曲げ損失などが含まれます。減衰を計算する際には、両方の影響を同時に考慮する必要があります。光ファイバー固有の損失は、伝送距離の増加に伴って増加します。以下で固有損失の減衰規格を見てみましょう。

光ファイバーケーブル固有の減衰に関する業界標準

ITU-T勧告のG.65xシリーズでは、光ケーブルの性能および伝送要件が規定されています。これらは光ファイバー業界で広く受け入れられ、使用されています。長距離光ケーブルリンクでは伝送電力損失を正確に計算する必要があり、減衰係数はdB/kmで表されます。これは、光ファイバーの損失測定において最も重要なパラメータです。現在、最も広く使用されている光ケーブルの種類はG.652シリーズ光ケーブルです。ITU-T G652規格によると、G.652シリーズ光ケーブルの最大減衰量は次の表のとおりです:

説明	IEC 60793-2 B1.1, B1.3 SMF, ITUT G.6652, G.652 SMF				単位
公称波長	1270	1310	1550	1577	nm
ケーブル減衰量（最大）	0.44	0.4	0.35	0.35	dB/km
零分散波長	1300≤λ≤1324				nm
分散スロープ（最大）	0.093				pcs/nm²·km

上記の表にあるゼロ分散波長とは、1300~1324帯域で分散がゼロになることを意味します。分散も、伝送において考慮する必要がある指標です。G.652Dの分散係数は一般に17ps/(nm*km)です。分散に関する知識については、次の記事で詳しく説明します。

光ファイバーにおける光パワー損失の計算方法

総リンク損失 = 光ファイバー減衰損失 + コネクター損失 + 接続損失 + 機器挿入損失

光ファイバーの減衰損失 = 最大減衰係数 x 伝送距離

コネクタ損失 = コネクタ接続点の数 x コネクタの最大挿入損失

融着損失 = 融着箇所数 x 融着点の損失で、一般的に0.1dB/perとして計算されます。

上記の損失計算はすべて理論値であることに注意が必要です。光ケーブルの曲げによって生じる曲げ損失や、その他の環境要因によって生じる損失は考慮されていません。一般に、実際の損失は理論上の計算結果とは異なります。伝送に影響が生じないようにするため、計算時にはシステムマージンを確保します。システムマージンとして3dBの余裕を確保します。これは、リンクの総減衰量が10dBの場合、設計時には少なくとも13dBの基準で計算することに相当します。

計算手順を示すために、実用的な事例を紹介します。2つのデータセンター間にはG.652光ケーブルが敷設されています。光ケーブルの長さは45kmで、伝送波長は1550nmです。リンク間には3か所の融着点と2つのLC UPCアダプターパネルがあります。

dci 45km

ファイバーの減衰損失を計算します。上記の表によると、減衰係数は0.35dB/kmとすることができます。

光ファイバーの減衰損失=0.35dB/km x 45km=15.75dB

LC UPCの最大挿入損失は通常0.3dBです。両端のコネクタとアダプターパネルには、合計4つのコネクタ接続点があります。

コネクタ損失 = 4 x 0.3dB = 1.2dB

融着損失 = 3 X 0.1dB = 0.3dB

総リンク損失=15.75dB+1.2dB+0.3dB=17.25dB

システムマージンは3dBです。したがって、20.25dBの光ファイバー損失に基づいて、このリンクを設計できます。上記の計算結果はすべて理論値であることにご注意ください。正確な実際の損失を把握するには、OTDRを使用して測定できます。

光ファイバーケーブルのパワーバジェットを計算する方法は？

パワーバジェットは、システム全体が許容できる最大電力減衰を評価するために使用されます。パワーバジェット（P Budget）の計算結果は、受信機の感度（P Receive）と送信機からファイバーへの出力（P Transmit ）との差です。

SFP+ 10G 80KM DWDMモジュールを例に挙げます。このモジュールのTX出力範囲は0~4dBmで、受信感度は-23dBmです。このモジュールのパワーバジェット=0dBm-(-23dBm)=23dBmです。したがって、正常に伝送するには、光ケーブルによる損失とシステムマージンを合わせたこのモジュールの総リンク損失が23dB未満である必要があります。

OSNRとは何ですか？

OSNRは、光チャネルが光ネットワークを通過した後の信号電力とノイズ電力の比率です。OSNR（Optical Signal-to-Noise Ratio）は、長距離光ファイバーシステムにおける信号品質の重要な指標です。信号電力に対するノイズ電力の影響を推定できます。一般に、OSNRが高いほど、システム全体にとって良好です。

OSNRを計算する一般的な式は次のとおりです： OSNR=10*log(S/N)

式中の大文字のSは信号電力、Nはノイズ電力を表し、いずれの単位もワットまたはミリワットで表されます。 OSNR値は受信側で最も重要です。低いOSNR値は、受信機が信号を検出できないことを意味します。一般に、受信端のOSNRは15 dB～18 dBを超えている必要があります。この値は、データレート、必要なBERなど、多くの要因によって異なります。OSNRの測定方法は、IEC 61282-12 / b-IEC 61280-2 -9規格で定義されています。