光ファイバー
光ファイバー(ひかりファイバー、光導纖維、optical fiber)とは、離れた場所に光を伝える伝送路である。optical fiberを逐語訳して光学繊維(こうがくせんい)とも呼ばれる。
※JIS での表記は光ファイバ
電磁気の影響を受けずに極細の信号線で高速信号が長距離に伝送できるため、デジタル通信を中心に多くの通信用途に使用されている。2011年現在、1本の光ファイバーの伝送能力は最高109Tbpsに達する。無中継での伝送では100 km間隔のものが実用化されている。
光ファイバーはコア(core)と呼ばれる芯とその外側のクラッド(clad)と呼ばれる部分、そしてそれらを覆う被覆の3重構造になっていて、クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射や屈折によりできるだけ光を中心部のコアにだけ伝播させる構造になっている。コアとクラッドはともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックでできている。
また、被覆がないコアとクラッドのみの状態を単に「光ファイバー」と呼び、光ファイバーの表面をシリコーン樹脂で被覆したものを「光ファイバー素線」、光ファイバー素線をナイロン繊維で被覆したものを「光ファイバー心線」、光ファイバー心線を高抗張力繊維と外皮で被覆したものを「光ファイバーコード」とする呼びかたもある。複数の光ファイバー心線に保護用のシースと呼ばれる被覆をしたものを光ファイバー・ケーブルと呼ぶこともある。
一般的な石英ガラスを使った光ファイバーのコアとクラッドの屈折率の差は、わずかに0.2ないし0.3パーセント程度である。石英ガラスの屈折率はおよそ1.5なので、1秒間に地球を5周程度回る速度(約20万 km/s)(1kmあたり約5μs)で光信号が伝わってゆく(物質中の光の伝播速度は、光速を屈折率で割ったものになる)。
光ファイバーの中で失われる光の量(伝送損失)は1 kmあたり数パーセント程度(値にして0.2ないし0.4 dB/km)である。
光ファイバー中の光の減衰は以下の多くの要素が関係している。低損失で長距離伝送が可能な光ファイバーの製造にはこれらの影響を小さくすることが求められる。したがって光ファイバーに使われる材料は特に高純度なものを所定の屈折率になるよう微量の添加物を入れたものを、組織の歪みができないよう注意して製造される。
線形散乱(レイリー散乱、屈折率、密度変動)
非線形散乱(ブリルアン散乱、ラマン散乱、格子振動との結合)
光ファイバーの曲がり(曲げによる放射損失、マイクロベンディング・ロス)
光ファイバの接続面からの反射(フレネル損失)
発光素子、受光素子の結合損失
17世紀に、波動の屈折の法則が、ヴィレブロルト・スネルによって定式化された。
1820年に、ガラス板の中に光が閉じ込められる条件が、オーギュスタン・ジャン・フレネルによって定式化された。
1840年ごろ、反射による光の誘導の公開実験が、Daniel Colladonとジャック・バビネによってパリで行われた。
1870年、ジョン・ティンダルが光の全反射の条件を記し、水流で光を曲げる実験をロンドンで行なった。
1880年、音声を可視光線の信号に乗せ通信を行うフォトフォンの実験が、アレクサンダー・グラハム・ベルによって行われた。
1888年ごろ、初期のテレビ画像伝送の試みとして、曲がったガラスパイプやガラスロッドに光を通す方法がウィーンやフランスで考案された。
このころから、テレビの画像通信や潜望鏡、胃カメラなどにさまざまな光の導波路を用いる試みがなされた。
1910年、光の閉じ込めをガラス繊維に拡張した条件が、ホンドロス(D. Hondros)とピーター・デバイによって定式化された。
1925年、空洞のパイプやガラス・プラスチックロッドをつなげた光の伝導路で画像を伝送する方法の特許が、ジョン・ロジー・ベアードによって出願された。
1930年、ドイツのハインリッヒ・ラム (Heinrich Lamm) が、ガラス繊維の束に光を導く実験を行なった。これが、ガラスファイバーの束に光を通す初めての試みとなった。
1936年、逓信省研究所の関杜夫と根岸博(清宮博)が、ガラスロッドの湾曲部にプリズム・レンズを用いて、全反射によって光線信号を伝送する光線導管による光通信を考案し、特許を出願した。
1958年になるとガラスファイバーの芯を違う種類のガラスで巻くという、コアとクラッドによって構造される石英ガラスファイバーがインド人物理学者のナリンダー・シン・カパニーによって考案される。これにより、ケーブル内の屈折率の違いによって光を全反射で誘導するという光ファイバーの基礎が確立され、このとき初めてオプティカル・ファイバー(光ファイバー)と名づけられた。ナリンダー・シン・カパニーは光ファイバーの発明者とされ、光ファイバーの父と称される。
1961年、Elias Snitzerによって、シングルモード光ファイバーが提案された。
1964年、西澤潤一、佐々木市右衛門は、ガラスファイバーのコア内の屈折率を中心から周辺に向かって連続的に低くなるように変化させ、入射角の異なる光をファイバー内で集束させる自己集束型光ファイバー(今日にいうGI型光ファイバー)の概念を特許出願により提案し、自己集束型光ファイバーによる光通信の可能性について言及した。しかし特許庁は意味がわからないと不受理にした。
同様の構造の光ファイバーは、ベル研究所のスチュワート・ミラーによっても提案されている。ミラーは、ガラスが効率的な長距離伝送の媒体となることを理論的に示した。
1965年、チャールズ・K・カオの論文により、ガラスの不純物濃度を下げれば光の損失を低減できるので、損失率が20 dB/kmであれば通信用の光ファイバーに利用できる旨の提案がなされた。これまでに確立された理想的なガラスファイバーの理論から、不純物を含む現実的なガラスファイバーでの光の減衰特性の理論を唱えた画期的なものであった。
これにより、ガラスファイバーの不純物を下げる研究が活発に行われるようになり、光ファイバーは実用化に向けて大きく前進した。
カオは、光通信用の光ファイバーに対する先駆的な貢献により、1996年に日本国際賞、2009年にノーベル物理学賞を受賞した。
1965年、世界初の光ファイバーによるデータ転送システムのデモンストレーションがドイツの物理学者マンフレッド・ベルナーによってテレフンケン研究所で行われ、このシステムの特許が1966年に申請された 。
1966年には、西澤の研究は日本板硝子と日本電気によってセルフフォーカスファイバー「セルフォック」として実現される。その時点では60 dB/kmが限度であった。
1970年、アメリカのコーニング社が通信用光ファイバーを実用化したと発表し、光ファイバの製造法とカオ論文に示された光ファイバの構造を始めとする基本特許(米国特許第三六五九九一五号)を得た。コーニングの光ファイバーは非常にもろく、まだ実用化にはほど遠いものであったが、カオの理論通りに20 dB/kmの損失を達成した。日本の特許庁はそれが西澤と類似するものであることを知りながら口をつぐんだ。
またコーニング社の発表に続く形で、不純物のドーピングによる多層結晶成長の技術によって、常温で連続作用可能な半導体レーザーがベル研究所のパニッシュと林厳雄によって試作された。
同時期に、同研究所のアーサー(A. J. Arthur)とチョー(A. Y. Cho)が新たな結晶成長方法、分子線エピタキシー(MBE)を考案した。MBEで作った新素子は寿命100万時間を達成した。
これらの技術により、光ファイバーのレーザー光源の技術が確立された。
1974年、ベル研究所のジョン・マクチェスニーはMCVD(内付気相堆積)法での光ファイバーの製法を編み出した。
この結果、損失率は1.1 dB/kmに低下した。
1977年、日本電信電話公社(電電公社、現在のNTT)の茨城電気通信研究所の伊澤達夫が、VAD(気相軸付け)法による光ファイバーの製造方法を発明した。
1980年には、VAD法によって、損失値は0.20 dB/kmに達した。
現在、VAD法の製造スピードはMCVD法の約100倍となっている。
1985年、サザンプトン大学のプール(S. B. Poole)が、エルビウムという元素を光ファイバーのガラスに少量加えると、光だけで動作する増幅器を作れることを発見した。この発見をもとに、サザンプトン大学のペイン(David Payne)とミアーズ(P. J. Mears)、ベル研究所のドゥスルヴィルが、エルビウム添加ファイバー増幅器(EDFA; Erbium Doped Fiber Amplifier)を開発した。これにより、レーザー中継による光信号増幅器よりも効率の良い伝送を行うことが可能となった。
同年、連邦通信委員会は国際回線における光ファイバーの私的所有を認可した。
同年2月、日本では電電公社が北海道旭川市と鹿児島県鹿児島市間をつなぐ日本縦貫光ファイバーケーブル網を完成させた。
2000年代にかけて日本国内では光ファイバを採用するブロードバンドインターネット接続が各地で広がった。
フォトニック結晶ファイバーと呼ばれる新しい構造の光ファイバーが登場している。以下の2つのタイプがある。いずれも、クラッド部に等間隔の空孔が空けられている。
コア部がクラッド部のガラスと同じ素材で構成されており、別名ホーリー・ファイバーとも呼ばれる。クラッド部に作られた等間隔の空孔による屈折率1.0の低屈折率とコア部がクラッド部のガラスの1.5ほどの屈折率との大きな差によって光を閉じこめる。
フォトニック・バンドギャップ・ファイバー
コアが空孔で、クラッド部にも等間隔の空孔が空けられており、ブラッグ反射によって光が中央の空孔内を伝播する。非線形光学効果や、材料分散の影響がほとんどない光ファイバーが作られると期待されているが、孔の配列乱れ等により特性が劣化するため、現在は通常の光ファイバを越える損失特性を持つものはできていない。
光ファイバーはそのほとんど全てが通信用に使用されており、本記事中でも特に断らない限りすべて通信用光ファイバーについて記述している。1980年代後半に光ファイバーを使った光増幅器が発明されてからは、いくつかの改良を経て、2000年代後半の現在は、MCVD法によって製造される希土類イオンEr3+(エルビウム)やPr3+(プラセオジム)を添加した光増幅器専用の光ファイバーが製造されている。
希土類のハロゲン化物は蒸気圧を上げるのが困難なため、別に加熱するなどの工夫が求められている。
通信用の光ファイバーについては光ケーブルを参照。
光ファイバー内を伝わる光の変化によりいろいろな情報が得られ、測定が行える。光ファイバー自体がセンサーとして働くといえる。
温度測定では、一点の温度でなく、光ファイバーの長さに渡っての一次元の温度が得られる。
また一定間隔のパルスを送信して乱反射が返ってくる時間を測定することにより、正確に光ファイバーの屈折を検出することが可能となる。これによりトンネル工事などの現場の地盤の歪みなどを検出し、落盤事故などを防止することが可能とされる。
光ファイバー内に蛍光体を分散することで放射線が入射時に可視光を出してそれが伝わり端面から検出することができる。
コーニング(アメリカ)- 17.22%
古河電気工業 - 12.41%
YOFC(中国) - 長飛光繊光纜 12.18%
ZTT(中国) - 中天科技集团 09.35%
HTGD (中国) - 亨通光電 8.84%
FUTONG (中国) - 富通集団 8.7%
住友電気工業 - 8.43%
プリズミアン(イタリア)- 8.17%
FiberHome(中国) - 烽火通信科技股分有限公司 7.76%
フジクラ - 5.53%
その他 - 1.41%
株式会社フジクラ 21.6%
⽇本製線株式会社 19.6%
住友電気工業株式会社 11.8%
古河電気工業株式会社 11.8%
株式会社ジュピターコーポレーション 7.8%
アライドテレシス株式会社 7.8%
住友電工オプティフロンティア株式会社 3.9%
昭和電線ケーブルシステム株式会社 3.9%
アンフェノールジャパン株式会社 3.9%
ダイトロン株式会社 3.9%
ネクサンス(フランス)- 2008年世界9位、世界シェア3%。
日立金属 - 旧・日立電線
三菱電線工業 - 旧・大日日本電線