マルチモード光ファイバーをシングルモード光ファイバーに、またはその逆に変換する方法

特定の周波数、偏光状態、伝送方向を持つ光波は、光波伝送モードと呼ばれます。マルチモードファイバー (MMF) とシングルモードファイバー (SMF) は、伝送モードによって分類される2種類の光ファイバーケーブルです。機能上の違いの一つは伝送距離です。ローカルエリアネットワーク (LAN) では、建物内の短距離接続にMMFおよびMMF機器がよく導入されます。そのため、LANから広域ネットワーク (WAN) への建物間リンクでは、伝送距離を延ばすためにシングルモードファイバーを使用する必要があります。この記事では、ファイバーモード変換の背景と、シングルモードとマルチモード間の3つの変換方法を紹介します。

マルチモードファイバーとシングルモードファイバーの基礎知識

SMFとMMFは外被の色で区別できます — シングルモードファイバーのケーブル外被は黄色ですが、オレンジ、アクアブルー、ローズレッド、または緑色のケーブル外被を持つファイバーはマルチモードファイバーです。 

シングルモードファイバでは、光はファイバのコアとクラッドの境界面で反射することなく、コア内を直進します。マルチモードファイバでは、光パルスが複数の光線に分かれ、内壁に沿って絶えず反射するため、多くの分散と信号損失が生じます。 

図1：シングルモードファイバーとマルチモードファイバーの伝送モードの比較

したがって、マルチモードファイバーには伝送距離の制限があります。MMFの最大伝送距離は約300m～400mです。一方、電力損失のないシングルモードファイバーは、10km、20km、40km、80km、さらにはそれ以上の長距離にわたって光を伝送できます。

両者のもう1つの違いは、コア径です。シングルモードファイバーのコア径は非常に細く、通常は5µm、7µm、9µmです。マルチモードファイバーのコア径はシングルモードファイバーの数倍で、一般的には62.5µmまたは50µmです。 

図2：シングルモードファイバとマルチモードファイバのコア径

ユーザーがシングルモードファイバーとマルチモードファイバーを併用したい場合、まず思い浮かぶのはそれらを直接接続することです。SMFとMMFではファイバーコア径に大きな違いがあるため、マルチモードファイバーをシングルモードファイバーに受動的に融着または結合すると、リンク障害が発生します。ファイバーモード変換は、この問題を解決する方法を見つけることです。

マルチモードからシングルモードへの変換需要、またはその逆を促進するものは何ですか？

では、マルチモードファイバーとシングルモードファイバーを混在して使用する原因は何でしょうか？ご覧のとおり、ポイントツーポイント相互接続で使用される光モジュールは対称です。たとえば、10G SFP+ポートを備えた端点Aには、10GBASE-SR SFP+モジュールが搭載されています。同じポートを備えた端点Bのスイッチと短距離で直接接続するには、同じ10GBASE-SR SFP+モジュールを端点Bのスイッチポートに挿入する必要があります。次に、マルチモードファイバーを使用して両端を接続します。これは最も理想的でシンプルな適用シナリオです。 

終端Bが終端Aから数十キロメートル離れた別の建物にある場合はどうでしょうか？または、終端Bの機器がシングルモードである、あるいはシングルモードファイバ接続を使用しなければならない場合はどうでしょうか？前者の場合、マルチモードファイバではそこまで届かないため、シングルモードファイバを使用する必要があります。問題は、SMFを終端機器のマルチモードモジュールに接続する方法です。後者の場合、問題は、一方の端のマルチモードともう一方の端のシングルモードとの接続を実現する方法です。

さまざまな配線環境において、光ファイバー通信ではマルチモードからシングルモードへの変換、またはシングルモードからマルチモードへの変換が必要になる場合があります。しかし、最も一般的な用途は、ネットワークの伝送距離を延ばすためのマルチモードからシングルモードへの変換です。

マルチモード光ファイバーをシングルモード光ファイバーに、またはその逆に変換するための上位3つのソリューション

次に、3つのファイバーモード変換方法を紹介します。これらに共通しているのは、シングルモードからマルチモードへの変換製品を利用していることです。

ソリューション1：マルチモードからシングルモードへの変換に光ファイバー間メディアコンバーターを使用

光ファイバー間メディアコンバーターは、マルチモードからシングルモードへの変換、デュプレックスからシンプレックスへの変換、標準波長からWDM波長への変換など、複数の変換機能を提供します。光ファイバーメディアコンバーターがマルチモードをシングルモードに変換する仕組みを理解するには、次の マルチモード・シングルモード光ファイバーコンバーター QSFPTEKを例に挙げます。この製品には2つのSFP/SFP+スロットがあり、2つのSFP/SFP+モジュールを収容できます。MMFをSMFに変換するには、一方のスロットにマルチモードファイバー接続用の10GBASE-SR SFP+トランシーバーを挿入し、もう一方のスロットにシングルモードファイバーリンク用の10GBASE-LR SFP+トランシーバーを挿入します。これにより、400m以内のローカルMMFリンクを、異なる光学モジュールを組み合わせることで少なくとも10km、最大140kmまで延長できます。

以下のアプリケーションシナリオでは、2つの建物に設置された2台のイーサネットスイッチを接続する必要があります。両方のスイッチにはマルチモードファイバーモジュールが搭載されていますが、建物間の距離は約6kmです。10Gファイバー・ツー・ファイバーメディアコンバーターのペアと2つの10G-SR SFP+を導入し、OM3 MMF経由でイーサネットスイッチを接続します。次に、両端のもう一方のメディアコンバーターポートを、OS2 SMF経由で10G-LR SFPに接続します。

図 3：マルチモード／シングルモード・メディアコンバーターを使用したマルチモードからシングルモードへの変換

ソリューション2：マルチモードからシングルモードへの変換にWDMトランスポンダーを使用

WDMトランスポンダーは、光－電気－光変換（OEO）とも呼ばれます。WDMシステムでは、従来の波長をCWDMまたはDWDMの波長に変換するために、WDMトランスポンダー（OEO）が広く採用されています。また、OEOはMMFからSMFへの変換にも使用され、850nm MMFを1310nm SMFに変換することで実現されます。

以下の例では、このWDMトランスポンダーの2つのポートに、それぞれシングルモードSFPとマルチモードSFPが搭載されています。前述のソリューションと同様に、OM3 MMFを使用してOEOのマルチモードポートとスイッチのマルチモードポートを接続します。次に、WDMトランスポンダーのSMF SFPポート同士をシングルモードOS2ファイバーで接続し、建物間の伝送距離を延長します。

図4：WDMトランスポンダーを使用したマルチモードからシングルモードへのコンバーター

ソリューション3：シングルモードからマルチモードへの変換にモード調整パッチケーブルを使用

構造上、 モードコンディショニングパッチ（MCP）ケーブル は、2本の光ファイバーで構成されたデュプレックス光ファイバーパッチケーブルです。一方の光ファイバーの片端には、シングルモードコネクタと短いSMFが接続されています。残りの3つの端末には、マルチモードコネクタとMMFが接続されています。MCPケーブルで唯一黄色のSMFレッグは、1000BASE-LXおよびその他の対応モジュールを送信機器に接続するためのものです。 MCPの要件は、モジュールの種類を厳しく制限しています。ギガビットEthernetでは、MCPの要件は1310 nm波長ウィンドウの1000BASE-LX/LH 1G SFPに対してのみ規定されています。10ギガビットEthernetでは、1310 nm波長ウィンドウの10GBASE-LX4および10GBASE-LRM光モジュールに対してのみ規定されています。 オレンジ色のMMFレッグは受信側への接続用です。注意点として、MCPファイバーはシングルモードからマルチモードへの変換のみが可能で、その逆はできません。

図5：モード調整パッチケーブルを使用したシングルモードからマルチモードへのコンバーター

QSFPTEKファイバーモード変換ソリューション

QSFPTEK光ファイバーメディアコンバーターは、MMFからSMFへの変換、およびデュアルファイバーからシングルファイバーへの変換を提供します。ネットワーク接続ソリューションを以下の図に示します。

以下のケースでは、2台のファイバースイッチが2つの建物に設置されています。建物内ネットワークは、費用対効果の高いマルチモードファイバーとマルチモードSFPに基づいています。建物間の距離は10km、またはそれ以上です。ここでの課題は、2つの建物間でスイッチ間接続を実現することです。

MMFからSMFへの変換

このソリューションでは、光ファイバーメディアコンバーターを導入し、マルチモードをシングルモードに変換します。次に、リンク距離に応じて10GBASE-LR/ER/ZR SFP+モジュールを挿入し、長距離リンクにはシングルモードファイバーを使用します。 

図6：QSFPTEKマルチモード・シングルモード光ファイバー変換ソリューション

ソリューション製品ポートフォリオ：

デュアルファイバーからシングルファイバーへの変換

一対の光メディアコンバーターを使用して、デュアルファイバーをシングルファイバーに変換します。次に、長距離リンク用のBIDi SFP+モジュールとシンプレックスファイバーを接続します。 

図7：QSFPTEKのデュプレックス・シンプレックス変換用光ファイバーコンバーターソリューション

ソリューション製品ポートフォリオ：

結論

要約すると、シングルモードファイバーとマルチモードファイバーの変換は、次の場合に必要です。

• 現在のMMFネットワークでは、長距離伝送のニーズを満たせません

• マルチモード接続をベースとする機器には、SMF接続が必須です

マルチモードからシングルモードへのメディアコンバーターとWDMトランスポンダーは、MMFからSMFへの変換またはSMFからMMFへの変換を実現する2つのソリューションです。非WDMネットワークでは、WDMトランスポンダーは高価なため、光ファイバーメディアコンバーターを選択する方が費用対効果に優れています。モード調整光ファイバーパッチケーブルは、SMFからMMFへの変換専用です。市場におけるMCPの価格も手頃です。

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