光ファイバの光損失の種類と要因

◇概要

光損失に関する基本的な事項の問題です。特に捻った部分もない素直な問題です。 このような問題は重要な得点源になるので、しっかりと押さえたい問題です。

◇光損失の分類

まず1つ目の段落です。

光損失は、損失要因によって、下の表のように分類されます。

問題文にある「光ファイバ固有の損失」の要因は材料要因、 「光ファイバを実際に通信システムに組み入れたときに生ずる損失」の要因は構造要因と、 それぞれ呼ばれます。材料要因による損失は、さらに吸収と散乱に分けられます。 吸収とは、他の物質を通過する際に、その物質内に取込まれることです。また、散乱とは、 他の物質を通過する際に、光が進行方向を変化させることです。

◇吸収損失

2つ目の段落です。

「石英系ガラスが本来持っている固有の吸収による」損失には、赤外吸収損失と紫外吸収損失があります。 それぞれ、赤外線の波長での吸収による損失と、紫外線の波長での吸収による損失です。 目に見える可視光線の波長の範囲が、400～760 nmなので、これより波長が短い波長の電磁波が紫外線、 波長が長い波長の電磁波が赤外線です。

赤外吸収は、波長1,500 nm（=1.5μm）くらいから顕著に現れ、 正確には波長9,100 nm（=9.1μm）近辺でピークとなります。長波長領域での、主要な損失要因です。

一方の紫外吸収は、波長が400 nm以下で現れる損失です。 光伝送で使う波長は、短波長と呼ばれる場合でも、850 nmです。 そのため、紫外吸収は他の損失に比べると非常に小さいので、その影響は無視できる程度です。

「石英系ガラス内に含まれている不純物による」損失には、OH基イオン（水酸化物イオン）による吸収損失と、 遷移金属による吸収損失があります。

OH基イオンによる吸収は、以前は光ファイバにおける主要な吸収でした。 光伝送での波長は、850 nm、1,310 nm、1,550 nmが使われますが、 これはOH基イオンの吸収が少ない波長から選ばれています。 なお、近年では、OH基イオンによる吸収損失は、大きく低減されています。

OH基イオンは、水素ガスの浸透により生成されることもあります。そのため、 光ファイバへの水素ガスの浸透や、光ファイバ周囲での水素ガスの発生を防いでいます。

遷移金属による吸収損失は、ガラスに混入した金属イオンの電子遷移が原因で生じる吸収です。 現在では、原料の純化による金属イオンの除去が進み、無視できる程度になっています。

◇レイリー散乱損失と曲り損失

3つ目の段落です。

レイリー散乱損失は、短波長領域での主要な損失要因です。散乱の大きさは、波長の4乗に反比例するので、 波長が短くなるほど、急激に大きくなります。光伝送で使える波長は、短波長側はレイリー散乱損失、 長波長側では赤外吸収で制限されます。 実は、レイリー散乱は、身近かな現象です。空が青くみえるのも、 夕焼け空が赤いのも、遠くの山が青く見えるのも、レイリー散乱により青い光が散乱されるのが原因です。

曲げによる放射損失（曲り損失）は、曲げが原因で発生する損失です。 光ファイバにおける光は、コアとクラッドの屈折率の違いにより、光が全反射を繰り返して伝播します。 全反射するためには、入射角（光の進行方向が光ファイバとなす角）が、臨界角と呼ばれる角度より小さくなければなりません。 しかし、曲げが加わると、入射角の変化や、圧力により屈折率が変化し臨界角が変化します。これにより、 光が全反射せずにクラッドに突き抜けてしまいます。これが曲げ損失です。

臨界角θ_c と比屈折率差Δの間には、式(1)の関係があります。

したがって、比屈折率差を大きくすると臨界角も大きくなり、曲り損失も発生しにくくなります。

比屈折率差を大きくして曲げに強くしたものが、R15mm光ファイバ心線です。光ファイバ心線の許容曲げ半径は、 通常 30 mmです。これに対してR15mm光ファイバ心線は、その名が示すとおり、許容曲げ半径が15 mmとなっています。 そのため、ケーブルの引き回しがしやすいため、問題文にあるようにアクセス系で多く使われています。

◇接続損失とフレネル反射

4つ目の段落です。

接続損失とは、接続損失は、光ファイバ相互の接続に起因する損失です 接続損失の原因には、接続部分に軸ずれや角度ずれがあります。 その他には、スポットサイズ（光が照射する範囲）に違いがある場合にも発生します。

接続損失と混乱しやすい損失に、結合損失があります。結合損失は、 光ファイバと光素子の接続に起因する損失です。 光ファイバと光素子の結合部分では、出射された光がすべて入射できないことがあります。そのために発生する損失が、 結合損失です。 結合損失は、受光素子より発光素子で、顕著に発生します。これはコアの断面積が、 発光素子の発行面積より小さいためです。

フレネル反射とは、屈折率が異なる媒体間の境界面で発生する反射です。 コネクタ接続において、光はコアから空気中へ、そして空気中からコアへと、2回のフレネル反射をします。 そのためコネクタ接続における接続損失は、融着法やメカニカル法の場合より大きくなります。なお、 メカニカル接続において、屈折率整合剤を使うのは、フレネル反射を押さえるためです。

◇基本的なキーワードは脱・丸暗記、広く関連付けを

試験に出題されるキーワードは、覚えるしかありません。 しかし、丸暗記は味気ないだけでなく、記憶の定着もあまりよくありません。 いろいろな事項を関連付けて覚えたほうが、ボリュームは増えるように見えますが、結果的には効率が上がります。

関連付けという点では、基本的なキーワードは非常に取り組みやすくなっています。 基本的であるため、さまざまな場面で言葉が使われるためです。 たとえば、全セクション「接続損失とフレネル反射」では、フレネル反射について、光コネクタの接続方法と関連づけて説明しています。 フレネル反射とレイリー散乱を合わせれば、損失測定法のひとつであるOTDR法と関連付けて整理することもできます。

関連付けを行うことにより、多くの場合は、具体例に触れることになります。損失に関するキーワードならば、 そのキーワードが何かだけでなく、どのように影響するか、どのような面に応用されているかなど、合わせて整理することができます。 それによりキーワードの抽象的なイメージを、具体化していく効果もあります。 イメージが具体化すれば、記憶の定着度も高まります。

ぜひ、基本的なキーワードは、周りと関連づけて整理してください。 そのほうが、学習効率がアップするはずです。