1.光ファイバーはどのように結合されるのですか?
回答: 光ファイバーは、透明な光学材料で作られたコアと、クラッドおよびコーティング層という 2 つの基本部分で構成されています。
2. 光ファイバー回線の伝送特性を表す基本的なパラメータは何ですか?
回答: 損失、分散、帯域幅、カットオフ波長、モードフィールド径などが含まれます。
3. 光ファイバーの減衰の原因は何ですか?
回答: ファイバー減衰とは、ファイバーの 2 つの断面間の光パワーの減少を指し、波長に関係します。減衰の主な原因は、散乱、吸収、およびコネクタとジョイントによる光損失です。
4.光ファイバーの減衰係数はどのように定義されますか?
回答: 定常状態における均一な光ファイバーの単位長さあたりの減衰量 (dB/km) によって定義されます。
5. 挿入損失とは何ですか?
回答: 光伝送ラインに光コンポーネント（コネクタやカプラの挿入など）を挿入することによって発生する減衰を指します。
6. 光ファイバーの帯域幅は何に関係していますか?
回答：光ファイバーの帯域幅とは、光ファイバーの伝達関数において、光パワーの振幅がゼロ周波数の振幅と比較して 50% または 3dB 減少するときの変調周波数を指します。光ファイバーの帯域幅は、その長さにほぼ反比例し、帯域幅と長さの積は定数です。
7. 光ファイバーの分散にはいくつの種類がありますか? 何に関係していますか?
回答: 光ファイバーの分散とは、モード分散、材料分散、構造分散など、光ファイバー内の群遅延の広がりを指します。これは、光源と光ファイバーの両方の特性に依存します。
8. 光ファイバー内を伝搬する信号の分散特性をどのように記述しますか?
回答：パルスの広がり、光ファイバーの帯域幅、光ファイバーの分散係数の 3 つの物理量で説明できます。
9. カットオフ波長とは何ですか?
回答：光ファイバー内で基本モードのみを伝送できる最短波長を指します。シングルモード光ファイバーの場合、カットオフ波長は伝送光の波長よりも短くなければなりません。
10.光ファイバーの分散は光ファイバー通信システムの性能にどのような影響を与えますか？
回答: 光ファイバーの分散により、光ファイバーでの伝送中に光パルスが広がり、ビットエラー率、伝送距離、システム速度に影響します。
11. 後方散乱法とは何ですか?
回答：後方散乱法は、光ファイバーの長さに沿った減衰を測定する方法です。光ファイバー内の光パワーの大部分は前方に伝播しますが、小さな部分は発光体に向かって後方散乱します。発光体の分光計を使用して後方散乱の時間曲線を観察すると、接続された均一な光ファイバーの長さと減衰を一端から測定できるだけでなく、ジョイントやコネクタによって生じる局所的な不規則性、ブレークポイント、光パワー損失も測定できます。
12. 光時間領域反射計 (OTDR) のテスト原理は何ですか? その機能は何ですか?
回答：OTDRは、光の後方散乱とフレネル反射の原理に基づいています。光が光ファイバー内を伝播するときに発生する後方散乱光を使用して減衰情報を取得します。光ファイバーの減衰、ジョイント損失、光ファイバーの障害点の位置を測定し、光ファイバーの長さに沿った損失分布を理解するために使用できます。光ケーブルの構築、保守、監視に欠かせないツールです。主な指標には、ダイナミックレンジ、感度、解像度、測定時間、ブラインドエリアなどがあります。
13.OTDRの死角とは何ですか？テストへの影響は何ですか？実際のテストで死角にどう対処しますか？
回答: 通常、アクティブ コネクタや機械ジョイントなどの特徴点によって生成される反射により OTDR 受信端が飽和することによって生じる一連の「死角」を死角領域と呼びます。
光ファイバーのブラインドエリアは、イベントブラインドエリアと減衰ブラインドエリアに分けられます。アクティブコネクタの介入によって発生する反射ピークの開始点から受信機の飽和ピークまでの長さの距離はイベントブラインドエリアと呼ばれ、光ファイバーのアクティブコネクタの介入によって発生する反射ピークの開始点から他の識別可能なイベントポイントまでの距離は減衰ブラインドエリアと呼ばれます。
OTDR の場合、ブラインド エリアが小さいほど良いです。ブラインド エリアは、パルスの広がりの幅が大きくなるにつれて大きくなります。パルス幅が広くなると測定長は長くなりますが、測定ブラインド エリアも大きくなります。したがって、光ファイバーをテストする場合、光ファイバーと OTDR アクセサリの隣接するイベント ポイントを測定するには狭いパルスを使用し、光ファイバーの遠端を測定するには広いパルスを使用する必要があります。
14.OTDRは異なるタイプの光ファイバーを測定できますか?
A: シングルモード OTDR モジュールを使用してマルチモード ファイバーを測定したり、マルチモード OTDR モジュールを使用してコア径 62.5mm のシングルモード ファイバーを測定したりすると、ファイバー長の測定結果には影響しませんが、ファイバー損失、光コネクタ損失、およびリターン ロスの結果は不正確になります。したがって、光ファイバを測定するときは、測定するファイバーに合った OTDR を選択して測定する必要があります。そうすることで、すべてのパフォーマンス指標に対して正しい結果が得られます。
15. 一般的な光学テスト機器の「1310nm」または「1550nm」とはどういう意味ですか?
A: 光信号の波長を指します。光ファイバー通信で使用される波長範囲は近赤外線領域にあり、波長は800nmから1700nmの間です。短波長帯と長波長帯に分けられることが多く、前者は850nmの波長を指し、後者は1310nmと1550nmを指します。
16. 現在市販されている光ファイバーでは、どの波長の光の分散が最も小さいですか? また、どの波長の光の損失が最も小さいですか?
回答: 波長 1310nm の光は分散が最も小さく、波長 1550nm の光は損失が最も小さくなります。
17.光ファイバーは、光ファイバーコアの屈折率の変化に応じてどのように分類されますか?
回答：ステップインデックス光ファイバーとグラジエントインデックス光ファイバーに分けられます。ステップインデックス光ファイバーは帯域幅が狭く、小容量の短距離通信に適しています。グラジエントインデックス光ファイバーは帯域幅が広く、中容量から大容量の通信に適しています。
18. 光ファイバーは、光ファイバー内で伝送されるさまざまな光波モードに応じてどのように分類されますか?
回答：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に分けられます。シングルモード光ファイバーのコア径は約1～10μmです。特定の動作波長では、単一の基本モードのみが伝送されるため、大容量で長距離の通信システムに適しています。マルチモード光ファイバーは、コア径が約50～60μmで、複数のモードの光波を伝送できますが、伝送性能はシングルモード光ファイバーよりも劣ります。
多重保護の電流差動保護を伝送する場合、変電所の通信室に設置された光電変換装置と中央制御室に設置された保護装置との間にマルチモード光ファイバーが使用されることが多い。
19. ステップインデックス光ファイバーの開口数（NA）の重要性は何ですか？
回答: 開口数 (NA) は光ファイバーの集光能力を示します。NA が大きいほど、光ファイバーの光収集能力が強くなります。
20. シングルモード光ファイバーの複屈折とは何ですか?
回答: シングルモード光ファイバーには 2 つの直交偏光モードがあります。光ファイバーが完全に円筒対称でない場合、2 つの直交偏光モードは縮退しません。2 つの直交偏光モードの屈折率の差の絶対値が複屈折です。
21. 最も一般的な光ケーブルの構造は何ですか?
回答：レイヤーツイストタイプとスケルトンタイプの2種類があります。
22. 光ケーブルの主な構成要素は何ですか?
回答：主に、光ファイバーコア、光ファイバーグリース、シース材、PBT（ポリブチレンテレフタレート）などの材料で構成されています。
23. 光ケーブルのアーマーとは何を指しますか?
回答：特殊な用途（海底光ケーブルなど）の光ケーブルに使用される保護要素（通常は鋼線または鋼帯）を指します。光ケーブルの内被に取り付けられています。
24. 光ケーブルのシースにはどのような材料が使用されていますか?
回答: 光ケーブルのシースまたは被覆は通常、ポリエチレン (PE) とポリ塩化ビニル (PVC) の材料で作られており、その機能はケーブルコアを外部の影響から保護することです。
25. 電力システムで使用される特殊な光ケーブルを列挙してください。
回答: 主に 3 つの特殊な光ケーブルがあります。
地上線複合光ケーブル（OPGW）は、光ファイバーを鋼被覆アルミ撚線構造の電力線内に配置します。OPGW光ケーブルの応用は、地上線と通信の2つの機能を備えており、電柱や鉄塔の利用率を効果的に向上させます。
ラップド光ケーブル (GWWOP) は、既存の伝送線がある場合に、このタイプの光ケーブルをアース線に巻き付けたり、吊り下げたりします。
自立型光ケーブル（ADSS）は引張強度が強く、2 つの電力塔の間に直接吊り下げることができ、最大スパンは 1000 m です。
26. OPGW光ケーブルにはいくつのアプリケーション構造がありますか?
回答：主に：1）プラスチック管層ねじれ+アルミ管構造。2）中央プラスチック管+アルミ管構造。3）アルミスケルトン構造。4）スパイラルアルミ管構造。5）単層ステンレス鋼管構造（中央ステンレス鋼管構造、ステンレス鋼管層ねじれ構造）。6）複合ステンレス鋼管構造（中央ステンレス鋼管構造、ステンレス鋼管層ねじれ構造）。
27. OPGW光ケーブルコアの外側の撚線の主な構成要素は何ですか?
回答：AA線（アルミニウム合金線）とAS線（アルミニウム被覆鋼線）で構成されています。
28. OPGW光ケーブルモデルを選択するために必要な技術的条件は何ですか?
回答：1) OPGWケーブルの公称引張強度（RTS）（kN）; 2) OPGWケーブルのファイバーコア数（SM）; 3) 短絡電流（kA）; 4) 短絡時間（秒）; 5) 温度範囲（℃）。
29. 光ケーブルの曲げ角度にはどのような制限がありますか?
回答：光ケーブルの曲げ半径は、施工時（非静的状態）は光ケーブル外径の20倍以上、施工時（非静的状態）は光ケーブル外径の30倍以上である必要があります。
30. ADSS 光ケーブルエンジニアリングでは何に注意する必要がありますか?
回答: 重要な技術は、光ケーブルの機械設計、吊り下げポイントの決定、サポートハードウェアの選択と設置の 3 つです。
31. 光ケーブル継手の主な種類は何ですか?
回答: 光ケーブル継手とは、光ケーブルを取り付けるために使用されるハードウェアを指し、主にテンションクランプ、サスペンションクランプ、振動アイソレータなどが含まれます。
32. 光ファイバーコネクタには 2 つの最も基本的なパフォーマンス パラメータがありますが、それは何ですか?
回答: 光ファイバーコネクタは一般にライブジョイントと呼ばれます。シングルファイバーコネクタの光学性能の要件については、挿入損失とリターン損失という 2 つの最も基本的な性能パラメータに重点が置かれています。
33. 一般的に使用されている光ファイバーコネクタにはいくつの種類がありますか?
回答：異なる分類方法によると、光ファイバーコネクタはさまざまなタイプに分けられます。異なる伝送媒体に応じて、シングルモード光ファイバーコネクタとマルチモード光ファイバーコネクタに分けられます。異なる構造に応じて、FC、SC、ST、D4、DIN、バイコニック、MU、LC、MTなどのさまざまなタイプに分けられます。コネクタのピン端面に応じて、FC、PC（UPC）、APCに分けられます。一般的に使用される光ファイバーコネクタ：FC / PC型光ファイバーコネクタ、SC型光ファイバーコネクタ、LC型光ファイバーコネクタ。
34. 光ファイバー通信システムでは、次のようなものが一般的に使用されています。それらの名称を示してください。
AFC、FC アダプタ、ST アダプタ、SC アダプタ、FC/APC、FC/PC コネクタ、SC コネクタ、ST コネクタ、LC パッチ コード、MU パッチ コード、シングルモードまたはマルチモード パッチ コード。
35. 光ファイバーコネクタの挿入損失（または挿入損失）とは何ですか?
回答：コネクタの挿入によって伝送線路の有効電力が減少する値を指します。ユーザーにとっては値が小さいほど良いです。ITU-Tでは、その値が0.5dBを超えてはならないと規定されています。
36. 光ファイバーコネクタのリターンロス（または反射減衰、リターンロス、リターンロス）とは何ですか？
回答: これは、コネクタから反射され、入力チャネルに沿って返される入力電力成分の測定値です。その標準値は 25dB 以上である必要があります。
37. 発光ダイオードと半導体レーザーが発する光の最も顕著な違いは何ですか?
回答: 発光ダイオードによって生成される光は、スペクトルが広い非干渉性光です。レーザーによって生成される光は、スペクトルが非常に狭い干渉性光です。
38. 発光ダイオード (LED) と半導体レーザー (LD) の動作特性の最も明らかな違いは何ですか?
回答: LED にはしきい値がありませんが、LD にはしきい値があります。注入された電流がしきい値を超えた場合にのみレーザーが生成されます。
39. 一般的に使用されている 2 つの単一縦モード半導体レーザーは何ですか?
回答: DFB レーザーと DBR レーザーはどちらも分布帰還型レーザーであり、その光フィードバックは光キャビティ内の分布帰還型ブラッグ格子によって提供されます。
40. 光受信デバイスの主な 2 つのタイプは何ですか?
回答：主にフォトダイオード（PIN チューブ）とアバランシェフォトダイオード（APD）です。
41.光ファイバー通信システムでノイズが発生する要因は何ですか?
回答：不適正な消光比によって発生するノイズ、光強度のランダムな変化によって発生するノイズ、時間ジッタによって発生するノイズ、受信機のポイントノイズと熱ノイズ、光ファイバーのモードノイズ、分散によるパルス広がりによって発生するノイズ、LDのモード分布ノイズ、LDの周波数チャープによって発生するノイズ、反射によって発生するノイズなどがあります。
42. 現在、伝送ネットワーク構築に使用されている主な光ファイバーは何ですか？その主な特徴は何ですか？
回答: 主なタイプは、G.652 従来型シングルモード光ファイバー、G.653 分散シフトシングルモード光ファイバー、G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバーの 3 つです。
G.652 シングルモード ファイバーは、C バンド 1530-1565nm および L バンド 1565-1625nm で分散が大きく、通常は 17-22psnm•km です。システム速度が 2.5Gbit/s 以上に達すると、分散補償が必要になります。10Gbit/s では、システム分散補償コストが比較的高くなります。これは、現在の伝送ネットワークで最も一般的に使用されているファイバーです。
G.653分散シフト光ファイバのCバンドとLバンドでの分散は、一般的に-1〜3.5psnm•kmで、1550nmではゼロ分散です。システム速度は20Gbit/sと40Gbit/sに達することができ、単一波長の超長距離伝送に最適な光ファイバです。ただし、ゼロ分散特性のため、容量拡張のためにDWDMを使用すると非線形効果が発生し、信号クロストークと四光波混合FWMが発生するため、DWDMには適していません。
G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバ：G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバの C バンドでの分散は 1 ～ 6 psnm•km で、L バンドでの分散は一般に 6 ～ 10 psnm•km です。分散が小さく、ゼロ分散領域を回避し、四光波混合 FWM を抑制し、DWDM 容量の拡張や高速システムの開拓に使用できます。新しい G.655 光ファイバは、有効面積を通常の光ファイバの 1.5 ～ 2 倍に拡大できます。有効面積が大きいため、電力密度が低下し、光ファイバの非線形効果も軽減されます。
43.光ファイバーの非線形性とは何ですか?
回答：光ファイバーの光パワーが一定値を超えると、光ファイバーの屈折率が光パワーに対して非線形の関係になり、ラマン散乱とブリルアン散乱が発生し、入射光の周波数が変化することを意味します。
44.光ファイバーの非線形性は伝送にどのような影響を与えますか？
回答：非線形効果により、損失と干渉がさらに発生し、システムのパフォーマンスが低下します。WDMシステムの光パワーは大きく、光ファイバーに沿って長距離伝送されるため、非線形歪みが発生します。非線形歪みには、誘導散乱と非線形屈折の2種類があります。その中で、誘導散乱にはラマン散乱とブリルアン散乱が含まれます。上記の2種類の散乱は入射光のエネルギーを減少させ、損失を引き起こします。入力ファイバーパワーが小さい場合は無視できます。
45. PON（パッシブ光ネットワーク）とは何ですか？
回答: PON は、カプラやスプリッタなどの受動光デバイスに基づいた、ローカル ユーザー アクセス ネットワーク内の光ファイバー ループ光ネットワークです。
光ファイバー減衰のさまざまな原因
1. ファイバーの減衰を引き起こす主な要因は、固有、曲げ、押し出し、不純物、凹凸、ドッキングです。
固有: レイリー散乱、固有吸収などを含む光ファイバーの固有の損失です。
曲げ: 光ファイバーが曲げられると、光ファイバー内の光の一部が散乱により失われ、損失が発生します。
押し出し: 光ファイバーが圧迫されたときにわずかに曲がることによって生じる損失。
不純物: 光ファイバー内の不純物は光ファイバー内を伝播する光を吸収、散乱させ、損失を引き起こします。
不均一性：光ファイバー材料の屈折率の不均一性によって生じる損失。
ドッキング：光ファイバーをドッキングする際に発生する損失。例えば、軸が異なる（シングルモード光ファイバーの同軸度要件は 0.8μm 未満）、端面が軸に対して垂直でない、端面が不均一、ドッキングコア径が一致しない、融合品質が悪いなど。
光ファイバーの一端から光が入り、もう一端から光が出ていくとき、光の強度は弱まります。これは、光信号が光ファイバーを伝搬した後、光エネルギーの一部が減衰することを意味します。これは、光ファイバー内に特定の物質があるか、何らかの理由で光信号の通過を妨げていることを示しています。これが光ファイバーの伝送損失です。光ファイバーの損失を減らすことによってのみ、光信号はスムーズに通過できます。
2. 光ファイバ損失の分類
光ファイバ損失は、光ファイバ自体が持つ固有の損失と、光ファイバ製造後の使用条件によって生じる付加損失に大別されます。具体的な区分は以下の通りです。
光ファイバーの損失は、固有損失と追加損失に分けられます。
固有損失には、散乱損失、吸収損失、および不完全な光ファイバー構造によって生じる損失が含まれます。
追加の損失には、マイクロベンド損失、曲げ損失、接続損失が含まれます。
そのうち、追加損失は光ファイバーの敷設中に人為的に発生します。実際のアプリケーションでは、光ファイバーを1本ずつ接続することは避けられず、光ファイバーの接続によって損失が発生します。光ファイバーのマイクロベンディング、圧迫、および伸張も損失を引き起こします。これらはすべて、光ファイバーの使用条件によって引き起こされる損失です。主な理由は、これらの条件下では、光ファイバーコア内の伝送モードが変化するためです。追加損失は可能な限り回避できます。以下では、光ファイバーの固有の損失についてのみ説明します。
固有損失のうち、散乱損失と吸収損失は光ファイバー材料自体の特性によって決まり、異なる動作波長で発生する固有損失も異なります。損失発生のメカニズムを理解し、さまざまな要因によって引き起こされる損失の大きさを定量的に分析することは、低損失光ファイバーの開発と光ファイバーの合理的な使用にとって非常に重要です。
3. 材料の吸収損失
光ファイバーの材料は光エネルギーを吸収することができます。光ファイバー材料の粒子が光エネルギーを吸収すると、振動して熱を発生し、エネルギーが失われ、吸収損失が発生します。物質は原子と分子で構成され、原子は原子核と原子核外電子で構成され、電子は原子核の周りを一定の軌道で回っていることがわかっています。これは、私たちが住んでいる地球や、金星や火星などの惑星が太陽の周りを回っているのと同じです。各電子は特定のエネルギーを持ち、特定の軌道にあります。言い換えると、各軌道には特定のエネルギーレベルがあります。
原子核に近い軌道のエネルギー準位は低く、原子核から遠い軌道のエネルギー準位は高くなります。この軌道間のエネルギー準位の差の大きさをエネルギー準位差といいます。電子が低いエネルギー準位から高いエネルギー準位に遷移するとき、対応するエネルギー準位差のエネルギーを吸収します。
光ファイバーにおいて、あるエネルギーレベルの電子にエネルギーレベルの差に応じた波長の光を照射すると、低いエネルギーレベルの軌道にあった電子はより高いエネルギーレベルの軌道に遷移します。この電子は光エネルギーを吸収するため、光吸収損失が発生します。
光ファイバーの原料となる二酸化ケイ素（SiO2）は、それ自体が光を吸収します。1つは紫外線吸収、もう1つは赤外線吸収と呼ばれています。現在、光ファイバー通信は一般的に0.8～1.6μmの波長範囲でのみ動作するため、この動作範囲での損失についてのみ説明します。
石英ガラスの電子遷移によって生じる吸収ピークは、紫外線領域で波長 0.1～0.2 μm 付近にあります。波長が長くなるにつれて、吸収効果は徐々に減少しますが、影響を受ける領域は非常に広く、1 μm を超える波長まで影響します。ただし、赤外線領域で動作する石英光ファイバーでは、紫外線吸収の影響はほとんどありません。たとえば、波長 0.6 μm の可視光領域では、紫外線吸収は 1 dB/km に達することがありますが、波長 0.8 μm では 0.2～0.3 dB/km に低下し、波長 1.2 μm では 0.1 dB/km 程度にしかなりません。
石英光ファイバーの赤外線吸収損失は、赤外線物質の分子振動によって発生します。2μm以上の帯域にいくつかの振動吸収ピークがあります。
光ファイバー内の各種ドーピング元素の影響により、石英光ファイバーは2μm以上の帯域で低損失ウィンドウを持つことが不可能であり、波長1.85μmでの理論限界損失は1dB/kmです。
研究を通じて、石英ガラスにはいくつかの「破壊分子」があり、主に銅、鉄、クロム、マンガンなどの有害な遷移金属不純物が問題を引き起こしていることも判明しました。これらの「悪者」は、光照射下で光エネルギーを貪欲に吸収し、飛び回り、光エネルギーの損失を引き起こします。「問題児」を取り除き、光ファイバーの製造に使用される材料を化学的に精製することで、損失を大幅に削減できます。
石英光ファイバーのもう一つの吸収源は水酸基（OHˉ）です。当時の研究によると、光ファイバーの動作帯域には水酸基の吸収ピークが3つあり、0.95μm、1.24μm、1.38μmの3つです。その中で、1.38μmの波長での吸収損失が最も深刻で、光ファイバーに最も大きな影響を与えます。波長1.38μmでは、水酸基含有量がわずか0.0001であっても、吸収ピーク損失は33dB/kmにも達します。
これらの水酸化物はどこから来るのでしょうか。水酸化物の発生源は数多くあります。第一に、光ファイバーの製造に使用される材料には水と水酸化物化合物が含まれています。これらの水酸化物化合物は、原材料の精製中に除去するのが難しく、最終的には水酸化物の形で光ファイバーに残ります。第二に、光ファイバーの製造に使用される水酸化物には少量の水が含まれています。第三に、光ファイバーの製造プロセス中に化学反応によって水が生成されます。第四に、外気の侵入によって水蒸気が持ち込まれます。ただし、現在の製造プロセスはかなり高度なレベルにまで発達しており、水酸化物含有量は光ファイバーへの影響が無視できるほど十分に低いレベルにまで低下しています。
4. 散乱損失
暗い夜に懐中電灯を空に当てると、光の筋が見えます。また、夜空にサーチライトから発せられる太い光の筋を見た人もいるでしょう。
では、なぜこのような光線が見えるのでしょうか。これは、大気中に煙や塵などの微粒子が多数浮遊しているためです。光がこれらの微粒子に当たると、光は散乱し、あらゆる方向に飛び散ります。この現象はレイリーによって初めて発見されたため、人々はこの散乱を「レイリー散乱」と名付けました。
散乱はどのように起こるのでしょうか。物質を構成する分子、原子、電子などの小さな粒子は、特定の固有周波数で振動し、振動周波数に対応する波長の光を放出することができます。粒子の振動周波数は、粒子のサイズによって決まります。粒子が大きいほど、振動周波数が低くなり、放出される光の波長が長くなります。粒子が小さいほど、振動周波数が高くなり、放出される光の波長が短くなります。この振動周波数を粒子の固有振動周波数と呼びます。ただし、この振動はそれ自体で発生するわけではなく、一定のエネルギーが必要です。粒子に特定の波長の光が照射され、照射された光の周波数が粒子の固有振動周波数と同じになると、共鳴が発生します。粒子内の電子はこの振動周波数で振動し始め、その結果、粒子はあらゆる方向に光を散乱させ、入射光のエネルギーが吸収されて粒子のエネルギーに変換され、粒子は光エネルギーの形でエネルギーを再放出します。そのため、外から観察する人にとっては、光が粒子に当たってから四方八方に飛び出すように見えます。
光ファイバーでもレイリー散乱が発生し、これによる光の損失をレイリー散乱損失といいます。現在の光ファイバー製造技術レベルを考えると、レイリー散乱損失は避けられないと言えます。しかし、レイリー散乱損失の大きさは光の波長の4乗に反比例するため、光ファイバーを長波長領域で動作させるとレイリー散乱損失の影響を大幅に軽減できます。
5. 先天性欠損症、誰も助けることはできない
光ファイバーの構造には、気泡、不純物、光ファイバー内の厚さの不均一など、特にコアとクラッドの界面の不均一など、不完全な部分があります。光がこれらの場所に到達すると、光の一部があらゆる方向に散乱し、損失が発生します。この損失は、光ファイバーの製造プロセスを改善することで克服できます。散乱により、光があらゆる方向に放射され、散乱光の一部は光ファイバーの伝搬方向と反対方向に反射されます。散乱光のこの部分は、光ファイバーの入射端で受信される可能性があります。光の散乱により、光エネルギーの一部が失われ、これは望ましくありません。ただし、この現象は私たちも利用できます。送信端で受信した光の部分の強度を分析すると、この光ファイバーの破損点、欠陥、損失を確認できるためです。このように、人間の創意工夫により、悪いことを良いことに変えることができます。
ファイバー損失 近年、光ファイバー通信は多くの分野で広く使用されています。光ファイバー通信を実現する上で重要な課題は、光ファイバーの損失を可能な限り低減することです。いわゆる損失とは、単位長さあたりの光ファイバーの減衰を指し、単位はdB / kmです。光ファイバー損失のレベルは、伝送距離または中継局間の距離に直接影響します。したがって、光ファイバー損失を理解して低減することは、光ファイバー通信にとって大きな実用的意義を持っています。
1. 光ファイバーの吸収損失
これは、光ファイバーの材料や不純物による光エネルギーの吸収によって発生します。これらは光ファイバー内で熱エネルギーの形で光エネルギーを消費し、これが光ファイバー損失の重要な損失となります。吸収損失には次のものが含まれます。
① 材料の固有吸収損失 これは材料の固有の吸収によって引き起こされる損失です。 2つの帯域があり、1つは近赤外線の8〜12μm領域にあります。 この帯域の固有吸収は振動によるものです。 材料のもう1つの固有吸収帯域は紫外線帯域にあります。 吸収が非常に強い場合、その尾は0.7〜1.1μm帯域に引きずられます。
②ドーパントと不純物イオンによる吸収損失光ファイバー材料には、鉄、銅、クロムなどの遷移金属が含まれています。それらは独自の吸収ピークと吸収帯を持ち、その価数状態によって異なります。遷移金属イオンの吸収によって引き起こされる光ファイバー損失は、その濃度に依存します。また、OH-の存在も吸収損失を生み出します。OH-の基本的な吸収ピークは2.7μm付近にあり、吸収帯は0.5〜1.0μmの範囲にあります。純粋な石英光ファイバーの場合、不純物による損失は無視できます。
③原子欠陥吸収損失光ファイバー材料は加熱されたり強い放射線にさらされたりすると刺激を受けて原子欠陥が生成され、光の吸収と損失が発生しますが、一般にこの影響は非常に小さいです。
2. 光ファイバの散乱損失
光ファイバー内部の散乱により伝送パワーが低下し、損失が発生します。最も重要な散乱は、光ファイバー材料内部の密度と組成の変化によって引き起こされるレイリー散乱です。
光ファイバー材料の加熱プロセスでは、熱撹拌により、原子の圧縮率が不均一になり、材料の密度が不均一になり、屈折率が不均一になります。この不均一性は冷却プロセス中に固定され、そのサイズは光波の波長よりも小さくなります。光が伝送中に光波の波長よりも小さく、ランダムに変動するこれらの不均一な材料に遭遇すると、伝送方向が変わり、散乱が発生し、損失が発生します。また、光ファイバーに含まれる酸化物の濃度の不均一やドーピングの不均一も、散乱や損失の原因となります。
3. 導波管散乱損失
これは、インターフェースのランダムな歪みや粗さによって引き起こされる散乱です。実際には、表面の歪みや粗さによって引き起こされるモード変換またはモード結合です。 1つのモードは、インターフェースの変動により、他の伝送モードと放射モードを生成します。 光ファイバーで伝送されるさまざまなモードの減衰は異なるため、長距離モード変換の過程で、減衰の少ないモードは減衰の大きいモードになります。 連続変換と逆変換の後、各モードの損失はバランスが取れますが、モード全体では追加の損失が発生します。つまり、モードの変換により追加の損失が発生します。 この追加の損失が導波路散乱損失です。 この損失を減らすには、光ファイバーの製造プロセスを改善する必要があります。 適切に引っ張られた光ファイバーや高品質の光ファイバーの場合、この損失は基本的に無視できます。
4. 光ファイバの曲げによる放射損失
光ファイバーは柔らかく、曲げることができます。しかし、ある程度曲げると、光ファイバーは光を導くことはできますが、光の伝送経路が変わります。伝送モードから放射モードへの変換により、光エネルギーの一部がクラッドに浸透したり、クラッドを通過して放射モードになって漏れたりして、損失が発生します。曲げ半径が5〜10cmを超える場合、曲げによる損失は無視できます。
出典: 東莞HXファイバーテクノロジー株式会社
1.光ファイバーはどのように結合されるのですか?
回答: 光ファイバーは、透明な光学材料で作られたコアと、クラッドおよびコーティング層という 2 つの基本部分で構成されています。
2. 光ファイバー回線の伝送特性を表す基本的なパラメータは何ですか?
回答: 損失、分散、帯域幅、カットオフ波長、モードフィールド径などが含まれます。
3. 光ファイバーの減衰の原因は何ですか?
回答: ファイバー減衰とは、ファイバーの 2 つの断面間の光パワーの減少を指し、波長に関係します。減衰の主な原因は、散乱、吸収、およびコネクタとジョイントによる光損失です。
4.光ファイバーの減衰係数はどのように定義されますか?
回答: 定常状態における均一な光ファイバーの単位長さあたりの減衰量 (dB/km) によって定義されます。
5. 挿入損失とは何ですか?
回答: 光伝送ラインに光コンポーネント（コネクタやカプラの挿入など）を挿入することによって発生する減衰を指します。
6. 光ファイバーの帯域幅は何に関係していますか?
回答：光ファイバーの帯域幅とは、光ファイバーの伝達関数において、光パワーの振幅がゼロ周波数の振幅と比較して 50% または 3dB 減少するときの変調周波数を指します。光ファイバーの帯域幅は、その長さにほぼ反比例し、帯域幅と長さの積は定数です。
7. 光ファイバーの分散にはいくつの種類がありますか? 何に関係していますか?
回答: 光ファイバーの分散とは、モード分散、材料分散、構造分散など、光ファイバー内の群遅延の広がりを指します。これは、光源と光ファイバーの両方の特性に依存します。
8. 光ファイバー内を伝搬する信号の分散特性をどのように記述しますか?
回答：パルスの広がり、光ファイバーの帯域幅、光ファイバーの分散係数の 3 つの物理量で説明できます。
9. カットオフ波長とは何ですか?
回答：光ファイバー内で基本モードのみを伝送できる最短波長を指します。シングルモード光ファイバーの場合、カットオフ波長は伝送光の波長よりも短くなければなりません。
10.光ファイバーの分散は光ファイバー通信システムの性能にどのような影響を与えますか？
回答: 光ファイバーの分散により、光ファイバーでの伝送中に光パルスが広がり、ビットエラー率、伝送距離、システム速度に影響します。
11. 後方散乱法とは何ですか?
回答：後方散乱法は、光ファイバーの長さに沿った減衰を測定する方法です。光ファイバー内の光パワーの大部分は前方に伝播しますが、小さな部分は発光体に向かって後方散乱します。発光体の分光計を使用して後方散乱の時間曲線を観察すると、接続された均一な光ファイバーの長さと減衰を一端から測定できるだけでなく、ジョイントやコネクタによって生じる局所的な不規則性、ブレークポイント、光パワー損失も測定できます。
12. 光時間領域反射計 (OTDR) のテスト原理は何ですか? その機能は何ですか?
回答：OTDRは、光の後方散乱とフレネル反射の原理に基づいています。光が光ファイバー内を伝播するときに発生する後方散乱光を使用して減衰情報を取得します。光ファイバーの減衰、ジョイント損失、光ファイバーの障害点の位置を測定し、光ファイバーの長さに沿った損失分布を理解するために使用できます。光ケーブルの構築、保守、監視に欠かせないツールです。主な指標には、ダイナミックレンジ、感度、解像度、測定時間、ブラインドエリアなどがあります。
13.OTDRの死角とは何ですか？テストへの影響は何ですか？実際のテストで死角にどう対処しますか？
回答: 通常、アクティブ コネクタや機械ジョイントなどの特徴点によって生成される反射により OTDR 受信端が飽和することによって生じる一連の「死角」を死角領域と呼びます。
光ファイバーのブラインドエリアは、イベントブラインドエリアと減衰ブラインドエリアに分けられます。アクティブコネクタの介入によって発生する反射ピークの開始点から受信機の飽和ピークまでの長さの距離はイベントブラインドエリアと呼ばれ、光ファイバーのアクティブコネクタの介入によって発生する反射ピークの開始点から他の識別可能なイベントポイントまでの距離は減衰ブラインドエリアと呼ばれます。
OTDR の場合、ブラインド エリアが小さいほど良いです。ブラインド エリアは、パルスの広がりの幅が大きくなるにつれて大きくなります。パルス幅が広くなると測定長は長くなりますが、測定ブラインド エリアも大きくなります。したがって、光ファイバーをテストする場合、光ファイバーと OTDR アクセサリの隣接するイベント ポイントを測定するには狭いパルスを使用し、光ファイバーの遠端を測定するには広いパルスを使用する必要があります。
14.OTDRは異なるタイプの光ファイバーを測定できますか?
A: シングルモード OTDR モジュールを使用してマルチモード ファイバーを測定したり、マルチモード OTDR モジュールを使用してコア径 62.5mm のシングルモード ファイバーを測定したりすると、ファイバー長の測定結果には影響しませんが、ファイバー損失、光コネクタ損失、およびリターン ロスの結果は不正確になります。したがって、光ファイバを測定するときは、測定するファイバーに合った OTDR を選択して測定する必要があります。そうすることで、すべてのパフォーマンス指標に対して正しい結果が得られます。
15. 一般的な光学テスト機器の「1310nm」または「1550nm」とはどういう意味ですか?
A: 光信号の波長を指します。光ファイバー通信で使用される波長範囲は近赤外線領域にあり、波長は800nmから1700nmの間です。短波長帯と長波長帯に分けられることが多く、前者は850nmの波長を指し、後者は1310nmと1550nmを指します。
16. 現在市販されている光ファイバーでは、どの波長の光の分散が最も小さいですか? また、どの波長の光の損失が最も小さいですか?
回答: 波長 1310nm の光は分散が最も小さく、波長 1550nm の光は損失が最も小さくなります。
17.光ファイバーは、光ファイバーコアの屈折率の変化に応じてどのように分類されますか?
回答：ステップインデックス光ファイバーとグラジエントインデックス光ファイバーに分けられます。ステップインデックス光ファイバーは帯域幅が狭く、小容量の短距離通信に適しています。グラジエントインデックス光ファイバーは帯域幅が広く、中容量から大容量の通信に適しています。
18. 光ファイバーは、光ファイバー内で伝送されるさまざまな光波モードに応じてどのように分類されますか?
回答：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に分けられます。シングルモード光ファイバーのコア径は約1～10μmです。特定の動作波長では、単一の基本モードのみが伝送されるため、大容量で長距離の通信システムに適しています。マルチモード光ファイバーは、コア径が約50～60μmで、複数のモードの光波を伝送できますが、伝送性能はシングルモード光ファイバーよりも劣ります。
多重保護の電流差動保護を伝送する場合、変電所の通信室に設置された光電変換装置と中央制御室に設置された保護装置との間にマルチモード光ファイバーが使用されることが多い。
19. ステップインデックス光ファイバーの開口数（NA）の重要性は何ですか？
回答: 開口数 (NA) は光ファイバーの集光能力を示します。NA が大きいほど、光ファイバーの光収集能力が強くなります。
20. シングルモード光ファイバーの複屈折とは何ですか?
回答: シングルモード光ファイバーには 2 つの直交偏光モードがあります。光ファイバーが完全に円筒対称でない場合、2 つの直交偏光モードは縮退しません。2 つの直交偏光モードの屈折率の差の絶対値が複屈折です。
21. 最も一般的な光ケーブルの構造は何ですか?
回答：レイヤーツイストタイプとスケルトンタイプの2種類があります。
22. 光ケーブルの主な構成要素は何ですか?
回答：主に、光ファイバーコア、光ファイバーグリース、シース材、PBT（ポリブチレンテレフタレート）などの材料で構成されています。
23. 光ケーブルのアーマーとは何を指しますか?
回答：特殊な用途（海底光ケーブルなど）の光ケーブルに使用される保護要素（通常は鋼線または鋼帯）を指します。光ケーブルの内被に取り付けられています。
24. 光ケーブルのシースにはどのような材料が使用されていますか?
回答: 光ケーブルのシースまたは被覆は通常、ポリエチレン (PE) とポリ塩化ビニル (PVC) の材料で作られており、その機能はケーブルコアを外部の影響から保護することです。
25. 電力システムで使用される特殊な光ケーブルを列挙してください。
回答: 主に 3 つの特殊な光ケーブルがあります。
地上線複合光ケーブル（OPGW）は、光ファイバーを鋼被覆アルミ撚線構造の電力線内に配置します。OPGW光ケーブルの応用は、地上線と通信の2つの機能を備えており、電柱や鉄塔の利用率を効果的に向上させます。
ラップド光ケーブル (GWWOP) は、既存の伝送線がある場合に、このタイプの光ケーブルをアース線に巻き付けたり、吊り下げたりします。
自立型光ケーブル（ADSS）は引張強度が強く、2 つの電力塔の間に直接吊り下げることができ、最大スパンは 1000 m です。
26. OPGW光ケーブルにはいくつのアプリケーション構造がありますか?
回答：主に：1）プラスチック管層ねじれ+アルミ管構造。2）中央プラスチック管+アルミ管構造。3）アルミスケルトン構造。4）スパイラルアルミ管構造。5）単層ステンレス鋼管構造（中央ステンレス鋼管構造、ステンレス鋼管層ねじれ構造）。6）複合ステンレス鋼管構造（中央ステンレス鋼管構造、ステンレス鋼管層ねじれ構造）。
27. OPGW光ケーブルコアの外側の撚線の主な構成要素は何ですか?
回答：AA線（アルミニウム合金線）とAS線（アルミニウム被覆鋼線）で構成されています。
28. OPGW光ケーブルモデルを選択するために必要な技術的条件は何ですか?
回答：1) OPGWケーブルの公称引張強度（RTS）（kN）; 2) OPGWケーブルのファイバーコア数（SM）; 3) 短絡電流（kA）; 4) 短絡時間（秒）; 5) 温度範囲（℃）。
29. 光ケーブルの曲げ角度にはどのような制限がありますか?
回答：光ケーブルの曲げ半径は、施工時（非静的状態）は光ケーブル外径の20倍以上、施工時（非静的状態）は光ケーブル外径の30倍以上である必要があります。
30. ADSS 光ケーブルエンジニアリングでは何に注意する必要がありますか?
回答: 重要な技術は、光ケーブルの機械設計、吊り下げポイントの決定、サポートハードウェアの選択と設置の 3 つです。
31. 光ケーブル継手の主な種類は何ですか?
回答: 光ケーブル継手とは、光ケーブルを取り付けるために使用されるハードウェアを指し、主にテンションクランプ、サスペンションクランプ、振動アイソレータなどが含まれます。
32. 光ファイバーコネクタには 2 つの最も基本的なパフォーマンス パラメータがありますが、それは何ですか?
回答: 光ファイバーコネクタは一般にライブジョイントと呼ばれます。シングルファイバーコネクタの光学性能の要件については、挿入損失とリターン損失という 2 つの最も基本的な性能パラメータに重点が置かれています。
33. 一般的に使用されている光ファイバーコネクタにはいくつの種類がありますか?
回答：異なる分類方法によると、光ファイバーコネクタはさまざまなタイプに分けられます。異なる伝送媒体に応じて、シングルモード光ファイバーコネクタとマルチモード光ファイバーコネクタに分けられます。異なる構造に応じて、FC、SC、ST、D4、DIN、バイコニック、MU、LC、MTなどのさまざまなタイプに分けられます。コネクタのピン端面に応じて、FC、PC（UPC）、APCに分けられます。一般的に使用される光ファイバーコネクタ：FC / PC型光ファイバーコネクタ、SC型光ファイバーコネクタ、LC型光ファイバーコネクタ。
34. 光ファイバー通信システムでは、次のようなものが一般的に使用されています。それらの名称を示してください。
AFC、FC アダプタ、ST アダプタ、SC アダプタ、FC/APC、FC/PC コネクタ、SC コネクタ、ST コネクタ、LC パッチ コード、MU パッチ コード、シングルモードまたはマルチモード パッチ コード。
35. 光ファイバーコネクタの挿入損失（または挿入損失）とは何ですか?
回答：コネクタの挿入によって伝送線路の有効電力が減少する値を指します。ユーザーにとっては値が小さいほど良いです。ITU-Tでは、その値が0.5dBを超えてはならないと規定されています。
36. 光ファイバーコネクタのリターンロス（または反射減衰、リターンロス、リターンロス）とは何ですか？
回答: これは、コネクタから反射され、入力チャネルに沿って返される入力電力成分の測定値です。その標準値は 25dB 以上である必要があります。
37. 発光ダイオードと半導体レーザーが発する光の最も顕著な違いは何ですか?
回答: 発光ダイオードによって生成される光は、スペクトルが広い非干渉性光です。レーザーによって生成される光は、スペクトルが非常に狭い干渉性光です。
38. 発光ダイオード (LED) と半導体レーザー (LD) の動作特性の最も明らかな違いは何ですか?
回答: LED にはしきい値がありませんが、LD にはしきい値があります。注入された電流がしきい値を超えた場合にのみレーザーが生成されます。
39. 一般的に使用されている 2 つの単一縦モード半導体レーザーは何ですか?
回答: DFB レーザーと DBR レーザーはどちらも分布帰還型レーザーであり、その光フィードバックは光キャビティ内の分布帰還型ブラッグ格子によって提供されます。
40. 光受信デバイスの主な 2 つのタイプは何ですか?
回答：主にフォトダイオード（PIN チューブ）とアバランシェフォトダイオード（APD）です。
41.光ファイバー通信システムでノイズが発生する要因は何ですか?
回答：不適正な消光比によって発生するノイズ、光強度のランダムな変化によって発生するノイズ、時間ジッタによって発生するノイズ、受信機のポイントノイズと熱ノイズ、光ファイバーのモードノイズ、分散によるパルス広がりによって発生するノイズ、LDのモード分布ノイズ、LDの周波数チャープによって発生するノイズ、反射によって発生するノイズなどがあります。
42. 現在、伝送ネットワーク構築に使用されている主な光ファイバーは何ですか？その主な特徴は何ですか？
回答: 主なタイプは、G.652 従来型シングルモード光ファイバー、G.653 分散シフトシングルモード光ファイバー、G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバーの 3 つです。
G.652 シングルモード ファイバーは、C バンド 1530-1565nm および L バンド 1565-1625nm で分散が大きく、通常は 17-22psnm•km です。システム速度が 2.5Gbit/s 以上に達すると、分散補償が必要になります。10Gbit/s では、システム分散補償コストが比較的高くなります。これは、現在の伝送ネットワークで最も一般的に使用されているファイバーです。
G.653分散シフト光ファイバのCバンドとLバンドでの分散は、一般的に-1〜3.5psnm•kmで、1550nmではゼロ分散です。システム速度は20Gbit/sと40Gbit/sに達することができ、単一波長の超長距離伝送に最適な光ファイバです。ただし、ゼロ分散特性のため、容量拡張のためにDWDMを使用すると非線形効果が発生し、信号クロストークと四光波混合FWMが発生するため、DWDMには適していません。
G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバ：G.655 非ゼロ分散シフト光ファイバの C バンドでの分散は 1 ～ 6 psnm•km で、L バンドでの分散は一般に 6 ～ 10 psnm•km です。分散が小さく、ゼロ分散領域を回避し、四光波混合 FWM を抑制し、DWDM 容量の拡張や高速システムの開拓に使用できます。新しい G.655 光ファイバは、有効面積を通常の光ファイバの 1.5 ～ 2 倍に拡大できます。有効面積が大きいため、電力密度が低下し、光ファイバの非線形効果も軽減されます。
43.光ファイバーの非線形性とは何ですか?
回答：光ファイバーの光パワーが一定値を超えると、光ファイバーの屈折率が光パワーに対して非線形の関係になり、ラマン散乱とブリルアン散乱が発生し、入射光の周波数が変化することを意味します。
44.光ファイバーの非線形性は伝送にどのような影響を与えますか？
回答：非線形効果により、損失と干渉がさらに発生し、システムのパフォーマンスが低下します。WDMシステムの光パワーは大きく、光ファイバーに沿って長距離伝送されるため、非線形歪みが発生します。非線形歪みには、誘導散乱と非線形屈折の2種類があります。その中で、誘導散乱にはラマン散乱とブリルアン散乱が含まれます。上記の2種類の散乱は入射光のエネルギーを減少させ、損失を引き起こします。入力ファイバーパワーが小さい場合は無視できます。
45. PON（パッシブ光ネットワーク）とは何ですか？
回答: PON は、カプラやスプリッタなどの受動光デバイスに基づいた、ローカル ユーザー アクセス ネットワーク内の光ファイバー ループ光ネットワークです。
光ファイバー減衰のさまざまな原因
1. ファイバーの減衰を引き起こす主な要因は、固有、曲げ、押し出し、不純物、凹凸、ドッキングです。
固有: レイリー散乱、固有吸収などを含む光ファイバーの固有の損失です。
曲げ: 光ファイバーが曲げられると、光ファイバー内の光の一部が散乱により失われ、損失が発生します。
押し出し: 光ファイバーが圧迫されたときにわずかに曲がることによって生じる損失。
不純物: 光ファイバー内の不純物は光ファイバー内を伝播する光を吸収、散乱させ、損失を引き起こします。
不均一性：光ファイバー材料の屈折率の不均一性によって生じる損失。
ドッキング：光ファイバーをドッキングする際に発生する損失。例えば、軸が異なる（シングルモード光ファイバーの同軸度要件は 0.8μm 未満）、端面が軸に対して垂直でない、端面が不均一、ドッキングコア径が一致しない、融合品質が悪いなど。
光ファイバーの一端から光が入り、もう一端から光が出ていくとき、光の強度は弱まります。これは、光信号が光ファイバーを伝搬した後、光エネルギーの一部が減衰することを意味します。これは、光ファイバー内に特定の物質があるか、何らかの理由で光信号の通過を妨げていることを示しています。これが光ファイバーの伝送損失です。光ファイバーの損失を減らすことによってのみ、光信号はスムーズに通過できます。
2. 光ファイバ損失の分類
光ファイバ損失は、光ファイバ自体が持つ固有の損失と、光ファイバ製造後の使用条件によって生じる付加損失に大別されます。具体的な区分は以下の通りです。
光ファイバーの損失は、固有損失と追加損失に分けられます。
固有損失には、散乱損失、吸収損失、および不完全な光ファイバー構造によって生じる損失が含まれます。
追加の損失には、マイクロベンド損失、曲げ損失、接続損失が含まれます。
そのうち、追加損失は光ファイバーの敷設中に人為的に発生します。実際のアプリケーションでは、光ファイバーを1本ずつ接続することは避けられず、光ファイバーの接続によって損失が発生します。光ファイバーのマイクロベンディング、圧迫、および伸張も損失を引き起こします。これらはすべて、光ファイバーの使用条件によって引き起こされる損失です。主な理由は、これらの条件下では、光ファイバーコア内の伝送モードが変化するためです。追加損失は可能な限り回避できます。以下では、光ファイバーの固有の損失についてのみ説明します。
固有損失のうち、散乱損失と吸収損失は光ファイバー材料自体の特性によって決まり、異なる動作波長で発生する固有損失も異なります。損失発生のメカニズムを理解し、さまざまな要因によって引き起こされる損失の大きさを定量的に分析することは、低損失光ファイバーの開発と光ファイバーの合理的な使用にとって非常に重要です。
3. 材料の吸収損失
光ファイバーの材料は光エネルギーを吸収することができます。光ファイバー材料の粒子が光エネルギーを吸収すると、振動して熱を発生し、エネルギーが失われ、吸収損失が発生します。物質は原子と分子で構成され、原子は原子核と原子核外電子で構成され、電子は原子核の周りを一定の軌道で回っていることがわかっています。これは、私たちが住んでいる地球や、金星や火星などの惑星が太陽の周りを回っているのと同じです。各電子は特定のエネルギーを持ち、特定の軌道にあります。言い換えると、各軌道には特定のエネルギーレベルがあります。
原子核に近い軌道のエネルギー準位は低く、原子核から遠い軌道のエネルギー準位は高くなります。この軌道間のエネルギー準位の差の大きさをエネルギー準位差といいます。電子が低いエネルギー準位から高いエネルギー準位に遷移するとき、対応するエネルギー準位差のエネルギーを吸収します。
光ファイバーにおいて、あるエネルギーレベルの電子にエネルギーレベルの差に応じた波長の光を照射すると、低いエネルギーレベルの軌道にあった電子はより高いエネルギーレベルの軌道に遷移します。この電子は光エネルギーを吸収するため、光吸収損失が発生します。
光ファイバーの原料となる二酸化ケイ素（SiO2）は、それ自体が光を吸収します。1つは紫外線吸収、もう1つは赤外線吸収と呼ばれています。現在、光ファイバー通信は一般的に0.8～1.6μmの波長範囲でのみ動作するため、この動作範囲での損失についてのみ説明します。
石英ガラスの電子遷移によって生じる吸収ピークは、紫外線領域で波長 0.1～0.2 μm 付近にあります。波長が長くなるにつれて、吸収効果は徐々に減少しますが、影響を受ける領域は非常に広く、1 μm を超える波長まで影響します。ただし、赤外線領域で動作する石英光ファイバーでは、紫外線吸収の影響はほとんどありません。たとえば、波長 0.6 μm の可視光領域では、紫外線吸収は 1 dB/km に達することがありますが、波長 0.8 μm では 0.2～0.3 dB/km に低下し、波長 1.2 μm では 0.1 dB/km 程度にしかなりません。
石英光ファイバーの赤外線吸収損失は、赤外線物質の分子振動によって発生します。2μm以上の帯域にいくつかの振動吸収ピークがあります。
光ファイバー内の各種ドーピング元素の影響により、石英光ファイバーは2μm以上の帯域で低損失ウィンドウを持つことが不可能であり、波長1.85μmでの理論限界損失は1dB/kmです。
研究を通じて、石英ガラスにはいくつかの「破壊分子」があり、主に銅、鉄、クロム、マンガンなどの有害な遷移金属不純物が問題を引き起こしていることも判明しました。これらの「悪者」は、光照射下で光エネルギーを貪欲に吸収し、飛び回り、光エネルギーの損失を引き起こします。「問題児」を取り除き、光ファイバーの製造に使用される材料を化学的に精製することで、損失を大幅に削減できます。
石英光ファイバーのもう一つの吸収源は水酸基（OHˉ）です。当時の研究によると、光ファイバーの動作帯域には水酸基の吸収ピークが3つあり、0.95μm、1.24μm、1.38μmの3つです。その中で、1.38μmの波長での吸収損失が最も深刻で、光ファイバーに最も大きな影響を与えます。波長1.38μmでは、水酸基含有量がわずか0.0001であっても、吸収ピーク損失は33dB/kmにも達します。
これらの水酸化物はどこから来るのでしょうか。水酸化物の発生源は数多くあります。第一に、光ファイバーの製造に使用される材料には水と水酸化物化合物が含まれています。これらの水酸化物化合物は、原材料の精製中に除去するのが難しく、最終的には水酸化物の形で光ファイバーに残ります。第二に、光ファイバーの製造に使用される水酸化物には少量の水が含まれています。第三に、光ファイバーの製造プロセス中に化学反応によって水が生成されます。第四に、外気の侵入によって水蒸気が持ち込まれます。ただし、現在の製造プロセスはかなり高度なレベルにまで発達しており、水酸化物含有量は光ファイバーへの影響が無視できるほど十分に低いレベルにまで低下しています。
4. 散乱損失
暗い夜に懐中電灯を空に当てると、光の筋が見えます。また、夜空にサーチライトから発せられる太い光の筋を見た人もいるでしょう。
では、なぜこのような光線が見えるのでしょうか。これは、大気中に煙や塵などの微粒子が多数浮遊しているためです。光がこれらの微粒子に当たると、光は散乱し、あらゆる方向に飛び散ります。この現象はレイリーによって初めて発見されたため、人々はこの散乱を「レイリー散乱」と名付けました。
散乱はどのように起こるのでしょうか。物質を構成する分子、原子、電子などの小さな粒子は、特定の固有周波数で振動し、振動周波数に対応する波長の光を放出することができます。粒子の振動周波数は、粒子のサイズによって決まります。粒子が大きいほど、振動周波数が低くなり、放出される光の波長が長くなります。粒子が小さいほど、振動周波数が高くなり、放出される光の波長が短くなります。この振動周波数を粒子の固有振動周波数と呼びます。ただし、この振動はそれ自体で発生するわけではなく、一定のエネルギーが必要です。粒子に特定の波長の光が照射され、照射された光の周波数が粒子の固有振動周波数と同じになると、共鳴が発生します。粒子内の電子はこの振動周波数で振動し始め、その結果、粒子はあらゆる方向に光を散乱させ、入射光のエネルギーが吸収されて粒子のエネルギーに変換され、粒子は光エネルギーの形でエネルギーを再放出します。そのため、外から観察する人にとっては、光が粒子に当たってから四方八方に飛び出すように見えます。
光ファイバーでもレイリー散乱が発生し、これによる光の損失をレイリー散乱損失といいます。現在の光ファイバー製造技術レベルを考えると、レイリー散乱損失は避けられないと言えます。しかし、レイリー散乱損失の大きさは光の波長の4乗に反比例するため、光ファイバーを長波長領域で動作させるとレイリー散乱損失の影響を大幅に軽減できます。
5. 先天性欠損症、誰も助けることはできない
光ファイバーの構造には、気泡、不純物、光ファイバー内の厚さの不均一など、特にコアとクラッドの界面の不均一など、不完全な部分があります。光がこれらの場所に到達すると、光の一部があらゆる方向に散乱し、損失が発生します。この損失は、光ファイバーの製造プロセスを改善することで克服できます。散乱により、光があらゆる方向に放射され、散乱光の一部は光ファイバーの伝搬方向と反対方向に反射されます。散乱光のこの部分は、光ファイバーの入射端で受信される可能性があります。光の散乱により、光エネルギーの一部が失われ、これは望ましくありません。ただし、この現象は私たちも利用できます。送信端で受信した光の部分の強度を分析すると、この光ファイバーの破損点、欠陥、損失を確認できるためです。このように、人間の創意工夫により、悪いことを良いことに変えることができます。
ファイバー損失 近年、光ファイバー通信は多くの分野で広く使用されています。光ファイバー通信を実現する上で重要な課題は、光ファイバーの損失を可能な限り低減することです。いわゆる損失とは、単位長さあたりの光ファイバーの減衰を指し、単位はdB / kmです。光ファイバー損失のレベルは、伝送距離または中継局間の距離に直接影響します。したがって、光ファイバー損失を理解して低減することは、光ファイバー通信にとって大きな実用的意義を持っています。
1. 光ファイバーの吸収損失
これは、光ファイバーの材料や不純物による光エネルギーの吸収によって発生します。これらは光ファイバー内で熱エネルギーの形で光エネルギーを消費し、これが光ファイバー損失の重要な損失となります。吸収損失には次のものが含まれます。
① 材料の固有吸収損失 これは材料の固有の吸収によって引き起こされる損失です。 2つの帯域があり、1つは近赤外線の8〜12μm領域にあります。 この帯域の固有吸収は振動によるものです。 材料のもう1つの固有吸収帯域は紫外線帯域にあります。 吸収が非常に強い場合、その尾は0.7〜1.1μm帯域に引きずられます。
②ドーパントと不純物イオンによる吸収損失光ファイバー材料には、鉄、銅、クロムなどの遷移金属が含まれています。それらは独自の吸収ピークと吸収帯を持ち、その価数状態によって異なります。遷移金属イオンの吸収によって引き起こされる光ファイバー損失は、その濃度に依存します。また、OH-の存在も吸収損失を生み出します。OH-の基本的な吸収ピークは2.7μm付近にあり、吸収帯は0.5〜1.0μmの範囲にあります。純粋な石英光ファイバーの場合、不純物による損失は無視できます。
③原子欠陥吸収損失光ファイバー材料は加熱されたり強い放射線にさらされたりすると刺激を受けて原子欠陥が生成され、光の吸収と損失が発生しますが、一般にこの影響は非常に小さいです。
2. 光ファイバの散乱損失
光ファイバー内部の散乱により伝送パワーが低下し、損失が発生します。最も重要な散乱は、光ファイバー材料内部の密度と組成の変化によって引き起こされるレイリー散乱です。
光ファイバー材料の加熱プロセスでは、熱撹拌により、原子の圧縮率が不均一になり、材料の密度が不均一になり、屈折率が不均一になります。この不均一性は冷却プロセス中に固定され、そのサイズは光波の波長よりも小さくなります。光が伝送中に光波の波長よりも小さく、ランダムに変動するこれらの不均一な材料に遭遇すると、伝送方向が変わり、散乱が発生し、損失が発生します。また、光ファイバーに含まれる酸化物の濃度の不均一やドーピングの不均一も、散乱や損失の原因となります。
3. 導波管散乱損失
これは、インターフェースのランダムな歪みや粗さによって引き起こされる散乱です。実際には、表面の歪みや粗さによって引き起こされるモード変換またはモード結合です。 1つのモードは、インターフェースの変動により、他の伝送モードと放射モードを生成します。 光ファイバーで伝送されるさまざまなモードの減衰は異なるため、長距離モード変換の過程で、減衰の少ないモードは減衰の大きいモードになります。 連続変換と逆変換の後、各モードの損失はバランスが取れますが、モード全体では追加の損失が発生します。つまり、モードの変換により追加の損失が発生します。 この追加の損失が導波路散乱損失です。 この損失を減らすには、光ファイバーの製造プロセスを改善する必要があります。 適切に引っ張られた光ファイバーや高品質の光ファイバーの場合、この損失は基本的に無視できます。
4. 光ファイバの曲げによる放射損失
光ファイバーは柔らかく、曲げることができます。しかし、ある程度曲げると、光ファイバーは光を導くことはできますが、光の伝送経路が変わります。伝送モードから放射モードへの変換により、光エネルギーの一部がクラッドに浸透したり、クラッドを通過して放射モードになって漏れたりして、損失が発生します。曲げ半径が5〜10cmを超える場合、曲げによる損失は無視できます。
出典: 東莞HXファイバーテクノロジー株式会社
