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光ファイバー

光ファイバーの構成

光ファイバーはガラスまたはプラスチックでできた細い繊維であり、この繊維の中を光が通過します。光ファイバーはコアとクラッドとその外側の保護層からなります。

(a)コア(core:中心の意味)

ファイバーの中心で、そのまわりより屈折率が高く、光が伝達する部分です。

(b)クラッド(clad:覆いものの意味)

コアの外側でコアよりやや屈折率が低く、この部分は光を伝達しません。

(c)保護層

ガラスは傷がなければ十分な強度をもっていますが、微少な傷により著しく強度が減少します。
この傷による強度減少を防いだり取り扱いやすくして伝送特性を安定させるために保護層を施します。
一般には3層構造がとられ、1次被覆(プライマリーコート)、緩衝層(バッファコート)、2次被覆と呼び、その代表例の断面を下に示します。

図:通信用光ファイバーの構造

通信用光ファイバーの構造

光ファイバーの種類

材料組成 石英ガラスファイバー
多成分ガラスファイバー
プラスチッククラッドシリカファイバー
プラスチックファイバー
伝送モード マルチモードファイバー
シングルモードファイバー
屈折率分布 ステップインデックス
(SI)形ファイバー
グレーデッドインデックス
(GI)形ファイバー

光ファイバー伝送損失波長特性

光ファイバー伝送損失波長特性

各種ファイバーの特徴

ファイバーの種類 石英系ファイバー 多成分系ファイバー 複合材料系ファイバー
(プラスチッククラッドシリカファイバー)
プラスチックファイバー
構成素材 コア 石英ガラス 多成分ガラス 石英ガラス プラスチック
クラッド 石英ガラス 多成分ガラス シリコーン樹脂 特殊ふっ素樹脂 プラスチック
特殊ふっ素樹脂
屈折率分布 SM※2 SI※3 SI SI HPCF
SI
SI
損失※1
(db/km)
0.5~5.0 3~10 10~100 3~10 200~800
伝送帯域
Hz・km
10G~ 1G 10M 5M~ 15M 1M~
特徴 損失が少ない
伝送帯域が広い
化学的に安定
開口数が大きい
低コスト
開口数
大きい
大コア径
開口数が
大きい
カシメ
コネクターの使用が可能
損失が大
可透性が
優れている
端末加工が容易
用途 通信用 パンドルファイバー
PLG,CR,FOW
センサ
パンドル
ファイバー
近距離通信
通信用 センサー
近距離通信
イルミネーション

※1 損失は参考値です。 
※2 SM:シングルモードファイバー(伝送モード) 
※3 SI:ステップインデックス型ファイバー

伝送モード

伝送モード

有効断面積

多成分系ファイバーは通常、数10~数万本を束ねて使用します。 このような構造をバンドルライトガイドと呼びますが、この場合、束は光ファイバーの素線間に隙間ができてしまいます。 光ファイバーは通常コア部分のみを有効径とするため実際に束としての使い方においては、束の全断面積中のコアの断面積の比率以上の伝導効率、すなわち透過率を得ることはできません。 次の式は光ファイバーを束にした場合の限界値を示しています。

光ファイバーを束にした場合の限界値

たとえば、単線の外径50μm、コア径45μmの場合、約73%となりこれ以上の効率は得られません。

光の損失

光ファイバーではコアとクラッドの境界面が完全平滑面で無欠陥な製品を作ることは不可能です。 コア材での光の吸収による伝達ロスとともに製作上の重要な問題となります。光の損失は次のように定義します。

光ファイバーの両端面での反射ロスなどは考慮に入れない光ファイバー内だけの伝送ロス

この式は光ファイバーの両端面での反射ロスなどは考慮に入れない光ファイバー内だけの伝送ロスをさします。 最も損失の少ない石英ファイバーで1dB/km以下です。 多成分系や、プラスチックファイバーでは100~1000dB/km程度のものが多く使われています。

光ファイバーバンドルの配列

配列の基本形

配列の基本形

端部形状の基本形

端部形状の基本形

端部形状の基本形

ファイバーバンドルの損失

ファイバーバンドルの損失