インターネット通信や電話回線では、細い光ファイバーの中を光が何km、何十kmも進みます。しかも光ファイバーは完全な直線ではなく、ある程度曲げて配線できます。
なぜ、光ファイバーは曲がっていても光を外へ逃がさず、遠くまで運べるのでしょうか。
結論からいうと、光ファイバーは中心のコアを、その周囲より屈折率の低いクラッドで包み、コアとクラッドの境界で光が全反射しやすいように設計されているからです。
ただし、どんな角度でも、どんな曲げ方でも光が閉じ込められるわけではありません。光をファイバーへ入れる角度、コアとクラッドの屈折率差、ファイバーの曲げ半径、材料の吸収や散乱などが、どれだけ遠くまで光を運べるかを決めます。
光ファイバーはどんな構造をしているのか
基本的な光ファイバーは、中心のコアと、その周囲を覆うクラッドからできています。
コアは光が主に進む領域で、クラッドはそれより少し低い屈折率を持つように作られています。
たとえば石英系光ファイバーでは、材料へ微量の添加物を加えることでコアとクラッドの屈折率を精密に調整します。
このわずかな屈折率差が、光をコア内部へ閉じ込める基本条件になります。
なぜコアの屈折率を高くするのか
光が屈折率の高い媒質から低い媒質へ進もうとするとき、入射角が十分大きい場合には境界を通り抜けず、すべて反射されます。
これが全反射です。
光ファイバーでは、コアの屈折率n1をクラッドの屈折率n2より大きくして、
n1 > n2
となるように設計します。
すると、コア内部を斜めに進む光は、コアとクラッドの境界で全反射しながら前方へ進めるようになります。
OpenStaxも、光ファイバーでは高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで囲み、全反射を利用して光を導くと説明しています。
全反射が起こる条件は何か
高屈折率側から低屈折率側へ光が進むとき、入射角がある角度を超えると全反射が起こります。
その境目となる角度を臨界角と呼びます。
臨界角θcは、スネルの法則から
sinθc = n2 / n1
で求められます。
ここでn1はコア、n2はクラッドの屈折率です。
光が境界へ臨界角より大きな入射角で当たれば、光はクラッド側へ抜けず、コア内部へ戻ります。
なぜ全反射すると光はほとんど失われないのか
普通の鏡では、反射面の吸収や不完全な反射によって少しずつ光が失われます。
一方、理想的な全反射では、光は境界を越えて伝搬せず、エネルギーはほぼ反射側へ戻ります。
そのため、金属鏡を何千回も並べるより、透明なコアとクラッドの境界で全反射を繰り返すほうが、長距離伝送に適しています。
実際の光ファイバーでは材料吸収や微小散乱などの損失はありますが、境界反射そのものによる損失は非常に小さくできます。
光はファイバーの中でジグザグに進んでいるのか
幾何光学的には、光線がコアとクラッドの境界で何度も全反射しながらジグザグに進むと考えると理解しやすくなります。
ただし、実際の細い光ファイバーでは光は波として伝わり、コアとクラッドの構造で許された導波モードとして進みます。
したがって、厳密には一本の光線が壁で跳ね返り続けているというより、電磁場がコア付近に閉じ込められた状態で前方へ伝搬しています。
RP Photonicsも、光ファイバーの導波を全反射の光線像と導波モードの両方で説明しています。
クラッドの中には光がまったく入らないのか
全反射が起きても、電磁場が境界で完全にゼロになるわけではありません。
クラッド側にはエバネッセント場と呼ばれる、距離とともに急速に弱くなる電磁場がわずかに存在します。
通常のファイバーでは、この場はクラッド内部で十分に減衰するため、外部へ大きく光が漏れることはありません。
しかしクラッドが極端に薄い場合や、外側へ別の物質を近づける場合には、このエバネッセント場を利用した光センサーを作ることもできます。
なぜファイバーが曲がっても光はついていけるのか
ファイバーをゆるやかに曲げても、コアとクラッドの境界条件は保たれます。
光の進行方向も曲がった導波路に沿って少しずつ変わるため、適切な曲げ半径であれば導波モードはコア付近に閉じ込められたまま進めます。
つまり、光が突然90度曲がるのではなく、ファイバーの形に沿って徐々に進行方向を変えているのです。
曲げすぎると光が漏れるのはなぜか
ファイバーを急に曲げると、曲げの外側では光を閉じ込める条件が弱くなります。
幾何光学的には、境界へ当たる角度が全反射条件を満たしにくくなります。
波として見ると、導波モードの一部がクラッド側へ広がり、放射モードへ結合しやすくなります。
その結果、光が外部へ漏れて損失が増えます。
これを曲げ損失と呼びます。
曲げ半径が重要なのはなぜか
同じファイバーでも、ゆるやかな大きな半径で曲げる場合と、きつい小さな半径で折り曲げる場合では損失が異なります。
曲げ半径が小さいほど導波モードが外側へ偏り、漏れやすくなります。
そのため、光ファイバーケーブルには製品ごとに推奨最小曲げ半径が定められています。
配線時に小さく折り曲げたり、強く束ねたりすると通信品質が悪化することがあるのはこのためです。
光はどんな角度からでもファイバーへ入れられるのか
いいえ。
ファイバー内部で全反射を続けられるのは、入口から一定範囲内の角度で入射した光だけです。
この許容範囲を表す量が開口数、NAです。
空気中からステップインデックス型ファイバーへ入射する場合、概略
NA = √(n12 − n22)
で表されます。
NAが大きいほど、より広い角度から光を受け入れられます。
なぜ屈折率差を大きくすればよいだけではないのか
コアとクラッドの屈折率差を大きくすれば、一般に光を強く閉じ込めやすくなります。
しかし屈折率差が大きいと、多数の伝搬経路やモードが存在しやすくなり、パルスが時間的に広がるモード分散が問題になることがあります。
高速通信では、単に閉じ込めを強くするだけでなく、伝送帯域や分散とのバランスを取る必要があります。
シングルモード光ファイバーとは何か
コア径を十分小さくすると、伝搬できるモードをほぼ一つに限定できます。
これをシングルモードファイバーと呼びます。
シングルモードでは、複数モードの到着時間差によるモード分散を抑えられるため、高速・長距離通信に適しています。
一方、コア径が大きく多数のモードが伝わるものはマルチモードファイバーと呼ばれ、短距離通信や機器内配線などで利用されます。
グレーデッドインデックスファイバーは何が違うのか
グレーデッドインデックス型では、コアの屈折率が中心から外側へ向かって徐々に低くなるように作られています。
そのため光線は境界で急に反射するというより、連続的な屈折によって中心側へ戻されながら進みます。
外側を通る光は長い経路を進みますが、屈折率の低い領域では速度が速くなるため、異なる経路の到着時間差を小さくできます。
これはマルチモード伝送でのパルス広がりを抑えるための工夫です。
なぜ光ファイバーは電線より大量の情報を送れるのか
光の周波数は非常に高く、利用できる帯域が広いため、多くの情報を高速に変調して送れます。
さらに波長の異なる複数の光を一本のファイバーへ同時に通す波長分割多重を使えば、伝送容量をさらに増やせます。
また光ファイバーは電磁誘導の影響を受けにくく、電気的ノイズの多い環境でも安定した通信が可能です。
なぜ何十kmも進めるほど損失が小さいのか
長距離通信用の石英光ファイバーは、通信に使う近赤外波長で吸収が小さくなるよう高純度化されています。
さらに製造時の不純物や微小な構造むらを減らし、散乱損失を小さくしています。
現在の石英ファイバーでは、特定の通信波長帯で1km進んでもごくわずかしか光強度が減らない低損失伝送が可能です。
そのため、中継器や光増幅器の間隔を長く取れます。
光ファイバーの損失には何があるのか
代表的な損失には、
- 材料による吸収
- 微小な密度・屈折率ゆらぎによるRayleigh散乱
- 不純物による吸収
- 曲げによる放射損失
- 接続部やコネクタでの結合損失
があります。
光を全反射で閉じ込められても、これらの損失が完全にゼロになるわけではありません。
長距離通信では、材料・波長・接続・曲げを最適化して総損失を小さくします。
なぜ通信では近赤外光を使うのか
石英ガラスには、波長によって吸収や散乱の大きさが異なる性質があります。
可視光より長い近赤外領域には、損失が特に小さい通信波長帯があります。
そのため光通信では、目に見える赤や緑の光ではなく、主に近赤外のレーザー光を使います。
人の目には見えなくても、ファイバーにとっては遠くまで伝えやすい波長なのです。
なぜレーザーが使われるのか
レーザー光は方向性が高く、狭いコアへ効率よく結合しやすいという利点があります。
また波長幅を狭くできるため、波長分散によるパルス広がりを抑えやすくなります。
高速通信では、光の強度や位相、周波数などを高速に変調して情報を載せる必要があるため、制御性の高い半導体レーザーがよく使われます。
ファイバーの途中で光が反射して戻ってくることはないのか
理想的に均一なファイバーなら前方へ安定して伝わりますが、実際には微小な屈折率ゆらぎや接続部でわずかな後方散乱・反射が起こります。
この戻り光は通信ではノイズになる場合がありますが、逆に利用することもできます。
光パルスを送り、戻ってくる散乱光の時間を測ることで、ファイバーの断線位置や損失箇所を調べるOTDRという測定法があります。
医療用内視鏡でも同じ原理を使うのか
使います。
細い光ファイバーの束を使えば、曲がった経路の先へ照明光を届けたり、先端からの光を戻したりできます。
そのため、体内のように直線では見通せない場所へ光を運ぶ技術として利用されてきました。
ただし現代の内視鏡では、小型カメラを先端へ置く方式なども広く使われています。
光ファイバーセンサーにも利用できるのはなぜか
ファイバー内を進む光は、温度、ひずみ、圧力、周囲の屈折率などによって位相や強度、波長が変化することがあります。
この変化を読み取れば、ファイバー自体を長いセンサーとして利用できます。
橋梁、トンネル、発電設備などでのひずみ監視や温度監視に使われるのはこのためです。
水の噴流に光を入れても曲がって進むのは同じ原理か
基本的には同じ全反射を観察できる実験があります。
水は空気より屈折率が高いため、水流内部を適切な角度で進む光は、水と空気の境界で全反射しながら曲がった水流に沿って進みます。
この実験は、光ファイバーの全反射による導光を直感的に理解する例としてよく使われます。
ただし実用光ファイバーでは、水流よりはるかに精密に屈折率・形状・損失が制御されています。
既存の屈折・スネルの法則の記事とは何が違うのか
既存の屈折記事では、光が媒質の境界でなぜ曲がり、スネルの法則や全反射がどのように導かれるかを中心に扱っています。
本記事ではその原理を前提に、コアとクラッドの屈折率差を利用して光を細い導波路へ閉じ込め、曲がった経路でも低損失で遠距離へ運ぶ光ファイバー技術に焦点を限定しています。
つまり、一方は「屈折と全反射の原理」、もう一方は「その原理を使って情報を遠くまで運ぶ設計」です。
まとめ
光ファイバーが曲がっていても光を遠くまで運べるのは、コアとクラッドの屈折率差によって光をコア内部へ閉じ込められるからです。
- コアはクラッドより高い屈折率を持つ
- 適切な角度で進む光はコアとクラッドの境界で全反射する
- 光は導波モードとしてコア付近に閉じ込められて進む
- ゆるやかな曲げなら導波状態を保てる
- 急に曲げると曲げ損失が増え、光が外へ漏れる
- 材料吸収、Rayleigh散乱、接続損失などを小さくすることで長距離伝送できる
- 近赤外レーザー、シングルモード化、波長分割多重などによって高速・大容量通信が可能になる
つまり、光ファイバーは単に「光が全反射する細いガラス」ではなく、屈折率、波長、コア径、曲げ、材料損失まで精密に設計して、光を長距離へ閉じ込めて運ぶ光導波路なのです。
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参考資料
- OpenStax College Physics 2e: Total Internal Reflection
- RP Photonics Encyclopedia: Optical Fibers
- J-STAGE 光ファイバー関連資料
- J-STAGE 光ファイバ通信関連資料
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