光ファイバー ケーブルはどのようにデータを送信するのでしょうか?また、その動作の背後にある基本原理は何ですか?

光ファイバーケーブルは、光信号を利用して長距離にわたって驚くべき速度でデータを伝送することにより、データ伝送の分野に革命をもたらした画期的なテクノロジーです。光ファイバーケーブルの動作の基礎となる基本原理は、光の特性と内部全反射の概念に根ざしています。この記事では、光ファイバー ケーブルの複雑な仕組みを詳しく掘り下げ、光ファイバー ケーブルがデータを送信する方法とその動作を推進する中心原理を説明します。

光によるデータの送信:

光ファイバー ケーブルは、光信号、具体的にはバイナリ データ (1 と 0) を表す光のパルスを使用してデータを送信します。電気信号に依存して情報を伝送する従来の銅線ケーブルとは異なり、光ファイバー ケーブルは光の特性を利用して光信号の形式でデータを送信します。この方法には、より高速なデータ伝送、より高い帯域幅、電磁干渉に対する耐性など、いくつかの利点があります。

動作の中核原則:

全内部反射: 光ファイバー ケーブルの動作の中心原理は全内部反射です。全内部反射は、媒質内を進む光が臨界角より大きい角度で密度の低い媒質の境界に遭遇するときに発生します。光ファイバーの場合、コア（光が伝わる場所）の屈折率はクラッド（外層）よりも高くなります。光が臨界角を超える角度でコアとクラッドの境界に当たると、光はファイバーの外に屈折されるのではなく、反射されてコアに戻ります。この現象により、光はコア内に閉じ込められたままとなり、ファイバーの長さに沿ってジグザグの経路をたどることになります。

コアとクラッドの構造: 光ファイバー ケーブルは、コアとクラッドという 2 つの主要コンポーネントで構成されます。コアは光が通過する中心部分であり、クラッドはコアを取り囲んで、コア内に光を閉じ込めて導くのに役立ちます。クラッドはコアよりも屈折率が低いため、全反射が促進されます。

屈折率: 屈折率は、光ファイバー ケーブルの動作において重要な要素です。光が異なる屈折率を持つ媒体間の境界に遭遇したときにどれだけ屈折するかを決定します。クラッドと比較してコアの屈折率が高いため、光はコアに閉じ込められたままとなり、クラッドに漏れることはありません。

光分散: 光ファイバーは、光パルスがファイバーを通過する際に広がる光分散を最小限に抑えるように設計されています。これは、異なる波長の光がほぼ同じ速度で伝わるように、コアとクラッドの材料を注意深く設計することによって実現されます。

信号変調: データを送信するには、光パルスの強度または位相を変化させることによって光信号を変調します。バイナリ データ (0 と 1) は、異なる光強度レベルで表されます。この変調プロセスにより、ファイバーは光パルスの形で情報を伝送できるようになります。

信号の増幅: 長距離では、光信号は減衰 (信号損失) により弱くなることがあります。これに対抗するために、光ファイバー ケーブルにはリピータまたはアンプと呼ばれるデバイスが組み込まれています。これらのデバイスは、光信号を電気信号に変換せずに増幅し、光伝送の利点を維持します。

シングルモードとマルチモード: 光ファイバーケーブル シングルモード ファイバーとマルチモード ファイバーの 2 つの主なタイプがあります。シングルモード ファイバはコア直径が小さく、単一の光モードを伝送するように設計されているため、分散が少なくなり、伝送距離が長くなります。コア直径が大きいマルチモード ファイバーは、複数のモードの光を伝送できますが、長距離では分散しやすくなります。

光源と検出器: 光信号を生成および受信するために、光ファイバー ケーブルはレーザーや発光ダイオード (LED) などの光源とフォトダイオードなどの光検出器を利用します。レーザーは、そのコヒーレントで集束された光出力により、光源としてよく使用されます。

要約すると、光ファイバー ケーブルの動作は全内部反射の原理に依存しており、コアとクラッド間の屈折率差により光信号がファイバーのコア内に閉じ込められて導かれます。このデータ伝送の革新により、現代のデジタル世界を支える高速・大容量の通信ネットワークの構築が可能になりました。光ファイバー ケーブルは、光の特性を利用して効率的かつ迅速なデータ伝送を実現する創意工夫の証であり、現代の電気通信および情報技術の基礎となっています。