光ファイバーと銅線：メリットとデメリット

光ファイバーとは何ですか？

光ファイバーは、光ファイバーケーブルまたはファイバーオプティクスとも呼ばれ、一般にファイバーコア、クラッド層、バッファー、ジャケット、光ファイバーコネクターで構成されています。光ファイバーを通過する光の損失は、銅線ケーブルを通過する電気の損失よりもはるかに少ないため、光ファイバーケーブルは通常、長距離伝送に使用されます。

光ファイバーの構造

ファイバーコア - ガラスまたはプラスチック素材でできており、光を導くために使用されます。最も一般的なファイバーコア径は3種類あり、直径62.5 μm（マルチモードファイバーOM1、OM2）、直径50 μm（OM3、OM4、OM5）、直径9 μm（シングルモードファイバー）です。

クラッド層 - ファイバーコアを、屈折率の低いガラス製の被覆で覆います。これは、ガラスファイバーコアの表面の凹凸によって生じる損失を低減するように設計されています。

バッファ - ファイバーを封入することで、機械的な絶縁を実現し、物理的な損傷からファイバーを保護します。 

ジャケット - 光ファイバーケーブルの最外層で、光ファイバーを環境による損傷から保護します。また、ケーブルの識別には異なる色のジャケットを使用できます。

光ファイバーの種類

光ファイバーには、マルチモード光ファイバーとシングルモード光ファイバーという、最も一般的な2つの種類があります。

シングルモード光ファイバ

シングルモード光ファイバー, その名が示すとおり、単一モードの光のみを伝送します。9 μmの非常に細いコアを持ち、モード分散の制限を受けないため、シングルモードファイバーは光がファイバー内を伝送される際に高い忠実度を実現し、その結果、マルチモードファイバーよりも広い帯域幅を実現します。そのため、シングルモードファイバーは通常、長距離通信に使用されます。

マルチモード光ファイバー

シングルモードファイバーとは異なり、マルチモード光ファイバーは、50 μmまたは62.5 μmのより太いファイバーコアにより、数百の光モードを伝送できます。また、シングルモードファイバーにはないモード分散による制限があります。そのため、マルチモードファイバーがサポートする帯域幅と距離は、シングルモードファイバーと比べて限定的です。帯域幅と対応距離に短所がある一方で、マルチモードファイバーにはコア径が大きく、LEDなどの光源に容易に接続でき、コストも節約できるという利点があります。これが、マルチモードファイバーが短距離通信で広く利用されている理由です。

シングルモード光ファイバーとマルチモード光ファイバーの種類

銅ケーブルと比較した  光ファイバーの利点

光ファイバーケーブルは、銅線ケーブルの帯域幅と伝送距離の制限を補うために導入されたことが知られています。しかし、光ファイバーケーブルの利点は、帯域幅と伝送距離だけにとどまりません。なぜ光ファイバーは銅線よりも優れているのでしょうか？この記事では、光ファイバーケーブルの利点について詳しく説明します。 

無限の帯域幅

帯域幅はデータセンターにとって不可欠な要件です。前述のとおり、シングルモードファイバーはコア径が非常に小さく、モード分散による制限を受けないため、理論上、その帯域幅は無限です。マルチモードファイバーについては、最も広く使用されている OM3マルチモードファイバー 2000 MHz-kmを超える帯域幅が必要であり、 OM4マルチモードファイバー 少なくとも4700 MHz-kmが必要です。銅線ケーブルに関しては、最新のCat8銅線ケーブルが2000 MHz-kmの帯域幅をサポートしています。したがって、シングルモードファイバーとマルチモードファイバーはどちらも、従来の銅線ケーブルよりはるかに優れた帯域幅を実現します。

より長い距離

帯域幅が広いほど、伝送距離も長くなります。40/100 Ethernetでは、OM4マルチモード光ケーブルは最大150metersのリンク長をサポートし、シングルモードファイバーでは80kmの距離での通信も可能です。一方、Cat8銅線ケーブルは、40GBase-T規格によると30 metersという限られた距離しかサポートしません。しかし、データセンターのバックボーンリンクの大半は30 metersを超えるため、バックボーンリンクでは光ファイバーが基本的に銅線ケーブルに取って代わっています。

より高速

なぜ光ファイバーは銅線ケーブルより高速なのでしょうか？これは主に、光ファイバーと銅線ケーブルの伝送原理によって決まります。光ファイバーは、アナログ信号を光信号に変調してデータを伝送し、その光は光の全反射の原理に基づいて導かれます。異なる光信号は互いに干渉しません。一方、銅線ケーブルは電気信号によってデータを伝送するため、電気信号同士で干渉が発生します。そのため、光ファイバーは銅線ケーブルよりも速度面で優れています。

実際の用途では、  IEEE 802.3bs規格に基づき、光ファイバーは200/400G Ethernetを実現できることが実証されています。しかし、最新のCat8銅線ケーブルでも、30メートルという限られた伝送距離で40GBASE-Tをサポートするにとどまります。

より薄く、より軽量

銅ケーブルと比較すると、光ケーブルのファイバーコア径ははるかに小さく、マルチモードファイバーのコア径は約50～62.5 μm、シングルモードファイバーはさらに小さく最大9 μmであるのに対し、標準的な同軸銅ケーブルの直径は最大約47mmです。 

さらに、銅ケーブルと光ファイバーケーブルの素材の違いも、重量を左右する重要な要因です。光ファイバーはガラス繊維で作られている一方、銅は金属で作られているため、光ファイバーは銅ケーブルよりも軽量です。細くて軽量という特性により、光ファイバーはより便利で設置も容易です。

強力な耐干渉性能

石英は光ファイバーの基本構成要素であり、光のみを伝送し、電気を通さず、電磁界の影響も受けないため、光ファイバーはEMI（電磁干渉）や電力干渉に対して高い耐性を備えています。まさにそのため、光ファイバー内を伝送される信号は盗聴されにくくなっています。したがって、光ケーブルは銅ケーブルに比べて安定性とセキュリティの面で優れています。

より高い信頼性

システムの信頼性は、そのシステムに接続するデバイスの数と密接に関係することが知られています。デバイスが多いほど、障害が発生する可能性も高くなります。光ファイバーシステムはシンプルですが、銅線ケーブルシステムでは通常、多数の増幅器が使用されます。さらに、光ファイバーシステムには長寿命という利点もあります。統計的には、光ファイバーシステムの無障害稼働時間は最大50万時間に達します。したがって、光ファイバーは銅線よりも高い信頼性を備えています。

銅線ケーブルと比較した光ファイバーの欠点

それでも、銅線には光ファイバーよりも優れている点があります：

低い引張強度

ファイバーコアの材質はグラスファイバーであるのに対し、銅ケーブルの材質は銅です。グラスファイバーは銅よりも壊れやすいため、ファイバーの引張強度は銅ケーブルよりも低くなります。銅ケーブルの高い引張強度は、ケーブルの伸びや破断を防ぐのに役立ち、それによってシステム障害の防止にも役立ちます。

複雑な融着プロセス

光ファイバーの損失は、光ファイバーの融着プロセスに関連しています。2本のファイバーコアを正確に接続する必要があります。ファイバーコアは非常に細く、石英の融点は高いため、専門的な融着装置と技術が必要です。

銅線ケーブルは光ファイバーに置き換えられるのでしょうか？ 

光ファイバーケーブルには銅線と比べて多くの利点がありますが、従来のビル配線システム、LAN、PoE、KVM用途など、特定の用途では費用対効果が高いため、銅ケーブルは依然として消費者に支持されています。全体として、光ファイバーが銅線システムを完全に置き換えるまでには、まだ長い道のりがあると思います。

ただし、高帯域幅、長距離、高速、またはEMIへの耐性が必要な場合は、銅線ケーブルよりも光ファイバーが圧倒的に適しています。

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