光ケーブルはどのように機能しますか?光ベースの信号伝送の実践ガイド

通電中の光ファイバー パッチ コードの切断端を壁にかざして、かすかに赤い光が見える場合は、信号そのものを見ていることになります。その輝きはデータです。1 秒間に何百万回もオンとオフを繰り返す小さな光源です。光ケーブルは、電気信号を光パルスに変換し、それらのパルスを髪の毛ほどの細いガラスまたはプラスチックの束を通して導き、遠端で電気信号に変換することによって機能します。情報は電子ではなく光子として伝わるため、低損失、高帯域幅、電磁干渉に対する完全な耐性を備えた状態で、数十、さらには数百キロメートルを移動することができます。何よりもまず注意すべき点が 1 つあります。実際のネットワークで使用されている目に見えない赤外線は目に永久的な損傷を与える可能性があるため、接続されたファイバーの端を決して直視しないでください。以下のセクションでは、物理学を段階的に説明し、実際のプロジェクトでケーブルを指定、購入、設置する際に重要となる詳細に各原則を結び付けます。

光ケーブルの中身は実際どうなっているのか

まず結論として、光ケーブルは保護で包まれた精密なライトパイプです。その動作部分は、人間の髪の毛よりも細く引かれた超高純度のガラスの束です。他のものはすべて、光をそのストランド内に保ち、ストランド自体を無傷に保つために存在します。

• コア。 ガラスまたは光学プラスチックで作られた光を運ぶ中心。ガラス通信ファイバーのコアは、種類に応じておよそ 8 ～ 62.5 ミクロンです。
• クラッディング。 コアを囲むわずかに低い屈折率を持つガラスの層。内部に光を閉じ込めます。コアとクラッドのペアは通常、直径 125 ミクロンです。
• コーティングとバッファー。 通常約 250 ミクロンの柔らかいアクリレート層で、ガラスの摩耗や湿気を緩和します。
• 実力派メンバー。 引張荷重を支えるアラミド糸またはグラスファイバーロッドにより、ガラスにかかる負荷がかかりません。
• アウタージャケット。 屋内では PVC または低煙ハロゲンフリー素材、屋外では UV 安定化ポリエチレンを使用し、衝突、水、温度変化、げっ歯類に耐えられるよう選択されています。

このガラスは非常に純粋なので、技術者は、もしこれでできていれば、海は表面から海底が見えるだろうと言いたがります。光はその半分でも失われるまでに何キロメートルも伝わります。

全内部反射: 光が内部にとどまる理由

指針となる原理は全反射です。コアはクラッドよりも高い屈折率を持つようにドープされており、一般的なマルチモード ファイバの 1.44 に対しておよそ 1.48 です。コア内を進む光が十分に浅い角度でその境界に当たると、光は完全な鏡のように完全に反射し、ストランドをジグザグに進みます。全反射であるため、基本的にクラッド内に光が漏れることはなく、信号は数キロメートルにわたって伝播します。

角度がすべてです。光は、アクセプタンスコーンと呼ばれる円錐内でファイバーに入らなければなりません。その円錐の外側では、被覆材に漏れ出し、数メートル以内に消滅します。このため、コネクタの端面を研磨し、正確に嵌合する必要があります。コネクタが汚れていたり、位置がずれていると、受光角の外側に光が放射され、きれいなリンクが損失のあるリンクに変わってしまいます。そのため、ファイバのテストは常に端面の検査と清掃から始まります。

フルチェーン: 電気から光へ、そしてその逆へ

1. 送信機は電子を光子に変換します

送信側では、ドライバー回路がデジタル データに合わせて、通常は単純なオン/オフ キー操作によって光源を切り替えます。短距離システムでは LED または VCSEL (垂直共振器面発光レーザー) が使用されます。長距離システムでは、ガラスが最も透明な赤外線波長 (最も一般的には 850 nm、1310 nm、または 1550 nm) にロックされた高精度レーザー ダイオードが使用されます。

2. ファイバーはパルスを伝送します

減衰によって予算が決まります。マルチモード ファイバーは 850 nm で 1 キロメートルあたり約 3 dB 損失するため、信号は 1 キロメートルごとにほぼ半分になります。 1550 nm のシングルモード ファイバは 1 キロメートルあたり約 0.2 dB 損失します。そのため、長距離および海底ルートがシングルモード ファイバ上に構築されています。通常、各嵌合コネクタでは 0.3 ～ 0.5 dB が追加され、各融着接続では約 0.1 dB が追加されます。エンジニアはこれらの数値を合計して、リンクが実際に閉じることを確認します。

3. アンプと再生器が信号を復元します

長いスパンにわたって、エルビウムをドープしたファイバー増幅器が光信号を電気に変換せずに直接増幅し、数十キロメートル離れた再生器が最長ルートでクリーンなパルスを再構築します。

4. 受信機は光子をデータに変換します。

遠端のフォトダイオードが光の強度を電流に戻し、受信電子機器が元のデジタル ストリームを再構築します。電気から光、そしてその逆のチェーン全体が、ファイバ リンクがケーブル長だけではなくエンドツーエンドの損失バジェットによって記述される理由です。

シングルモードとマルチモード: パイプ直径の選択

コア サイズは、光が通過できるモードと呼ばれるパスの数を決定するため、最も重要な仕様です。小さなコアでは 1 つの経路しか許可されないため、すべての光がほぼ同時に到着します。大きなコアでは多くのパスが可能になり、モード分散として知られる到着時間の広がりにより、距離と帯域幅の両方が制限されます。以下の表は、トレードオフをまとめたものです。

家庭用バージョン: デジタル光オーディオ

テレビやサウンドバーの背面にある四角い光ポートは、小型化されたものとまったく同じ物理学で動作します。厚さ約 1 ミリメートルのプラスチック光ファイバーは、S/PDIF デジタル オーディオ ストリームとしてフォーマットされた、約 650 nm の可視赤色 LED からのパルスを伝送します。遠端のフォトダイオードは、パルスをデコーダ チップ用の電気信号に変換します。

実際の利点は隔離です。ギャップを横切る導電体は何もないため、光オーディオはハムの原因となるグランド ループを排除し、近くの電源からの電磁ノイズを軽減します。その制限は帯域幅です。この形式は圧縮 5.1 サラウンドを伝送しますが、新しい HDMI バージョンが処理するロスレスの高ビット レート フォーマットは伝送しません。そのため、HDMI がほとんどのホーム シアター ルーティングを引き継ぎました。

ハイブリッド設計: 1 つのルートで電力とデータを伝送する必要がある場合

産業プロジェクトが個別のルートを提供することはほとんどありません。タワー クレーンにはサーボ電源とエンコーダ フィードバックが必要です。トンネル掘削機にはモーター電流とセンサーデータが必要です。山頂の監視ステーションでは、電子機器に電力が供給され、カメラが接続されている必要があります。電源ケーブルとデータ ケーブルを並べて引くと、設置作業が 2 倍になり、トレイまたはダクトのスペースが 2 倍になり、故障箇所も 2 倍になります。光ファイバー複合ケーブルは、銅の電源コアと光ファイバーを 1 つの共有ジャケット内に配置することでこの問題を解決し、1 回の引き込みで両方を実現します。

電源コアと光ファイバーを組み合わせた光複合ケーブル このハイブリッド ケーブルは、銅製の電力導体と光ファイバー ユニットを 1 つの共有ジャケットに配置し、1 回の引き込みで電力とデータの両方を配信できるようにします。これは、個別のルートが現実的ではないクレーン、トンネル掘削機、遠隔監視ステーションに最適です。 製品を見る→

これらのハイブリッド内の光学要素は、全内部反射、波長依存の減衰、コネクタの損失バジェットなど、上記のすべての原則に従います。一方、ジャケットは、露出した塔の紫外線、工場のピットの油、海岸線近くの塩分を含んだ空気などの環境に耐えなければなりません。ドライブ システムとインバータが深刻な電気ノイズを発生する場合、ケーブルの周囲のシールドが強化され、周囲のハードウェアが保護されます。光自体は影響を受けませんが、終端と電子機器は依然として恩恵を受けます。

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自動化された生産ラインでは、複合構造は通常、他の産業用ケーブル ファミリと一緒に指定され、完全なコンテキストでそれらを確認するのに役立ちます。 オートメーション環境向けのケーブル ソリューション 独立したコンポーネントとしてではなく。

ファイバーが勝てる場所、そして銅が依然として意味をなす場所

繊維は自動的に正しい答えになるわけではなく、繊維をそのように扱うと過剰支出につながります。グラスファイバーをタップするとファイバーが曲がり、信号が暗くなり、侵入が検出可能になるため、距離、ストランドごとの帯域幅、EMI耐性、重量、およびセキュリティの点でファイバーが決定的に有利です。銅線は、接続コスト、終端の単純さ、同じペア上のデータで電力を供給する能力の点で優れています。そのため、ほとんどのシステムの最後の数メートルでは依然として銅線が優勢です。銅の場合でも、信号の品質は絶縁化学によって決まります。誘電率の低い PE 誘電体は、高周波信号を減衰させる静電容量を低減します。この原理については、記事で詳しく説明しています。 低誘電率材料が安定した伝送を支える仕組み .

ファイバーまたはハイブリッド複合材を指定する場合は、価格を比較する前に次の点を確認してください。

• 減衰定格 動作波長での値 (dB/km 単位) をリンク バジェットと照合します。
• 最小曲げ半径 、通常、ジャケットの直径の 10 ～ 20 倍であり、より狭い半径の設計は、ドラッグ チェーンや移動機器では重要です。
• ジャケット素材 : 閉鎖された公共スペースでは低煙ハロゲンフリー、屋外では紫外線安定化ポリエチレン、工業用床では耐油性化合物。
• 繊維の数と種類 : 8 本のケーブルのコストは 4 本のケーブルよりも少し高いため、予備のファイバを用意しておきますが、後で引き直すと多大な費用がかかります。
• 機械的保護 、装甲など、衝突荷重やげっ歯類が現実的なリスクとなる場所。

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「光ケーブルはどのように機能するのか」に対する有効な答えは、一文に収まります。送信機はデータをタイミングの合った光のパルスに変換し、全内部反射によってそれらのパルスをガラスコア内に閉じ込め、最小限の損失で伝送し、受信機は光をデータに戻します。クラッディングの化学的性質や波長の選択からジャケットの素材に至るまで、その他すべてがその文を果たすために存在します。電力と通信を組み合わせたルートを計画している場合は、距離、環境、電磁条件から始めて、ケーブルの構造をこれら 3 つの事実に合わせます。銅線構造と光学構造の両方を 1 つ屋根の下で設計するメーカーは、通常、2 回目のプルを完全に省く複合設計を提案できます。仕様を最終決定する前に、サプライヤーと損失予算と環境要件を検討することが、購入できる最も安価な保険です。