光ファイバーと銅線の比較

過去30年の間に、ファイバーは音声、ビデオ、データ、特に高速通信の伝送媒体として選ばれるようになった。ファイバーはコンパクトで、低損失で、電磁干渉を受けず、安全で、腐食性がなく、帯域幅はほぼ無制限です。いくつかの重要な特徴に注目してみよう。

広帯域幅：光ファイバーは、ワイヤレス、銅線、ソナー、さらには自由空間光学など、既知の他のメディアと比べて最も広い帯域幅を持つことが証明されています。テラヘルツ（10の12乗）のビットレートが、標準的なシングルモードの通信用ファイバーを使用することで実験室で実証されています。これと比較すると、世界中で有用な無線帯域幅は25Gbpsに過ぎず、1本のファイバーがサポートする帯域幅のわずか0.1％に過ぎない。その結果、光ファイバー1本で、システムの帯域幅を大幅に向上させながら、大きな銅線の束を簡単に置き換えることができる。

低損失：光ファイバーは、他のどの伝送媒体よりも信号に対する損失がはるかに小さい。シングルモード・ファイバーの1kmあたりの典型的な損失は、どのようなビットレートでも0.4dB程度であり、リピーターや増幅器を必要とせず、はるかに長い距離（100km以上）に信号を送ることが可能である。一方、同軸銅ケーブルの典型的な損失は、10-100Mbpsで約40dB/kmであり、ビットレートに応じて直線的に増加する。

高い安全性：光ファイバーは銅線と違って電磁波を発しないため、盗聴が極めて難しい。仮に光ファイバーが盗聴されたとしても、検知されるに十分な妨害がシステムに生じることになる。そのため、光ファイバーは、世界中の安全なシステム、特に軍事用応用 において、最も好まれる伝送媒体となっている。

安全性の向上：可燃性物質や爆発性物質が使用または保管されている環境では、電流は非常に有害です。光ファイバーは、このような環境で温度、圧力、湿度などの有用な情報を収集する理想的なチャネルを提供します。

シングルモードとマルチモードファイバーの比較

典型的なシングルストランドの光ファイバーは、希土類元素をドープしたシリカコア、シリカクラッド、保護ジャケットの層（通常はアクリル）から構成されています。コアの直径とクラッドに対する屈折率がビームのモード構造を決定します。標準的なシングルモードのテレコムファイバーのコア直径は約9ミクロンです。最も一般的なマルチモード・ファイバーの直径は50ミクロンと62.5ミクロンです。

ファイバーの選択は、主にシステムの現在の、そしてより重要な将来の帯域幅の必要性によって決まります。マルチモードファイバーのビットレートは限られており、40kmまでの長さで最大100Mbpsです。標準的なシングルモード・ファイバーは、増幅なしで100kmの長さで最大毎秒テラビットをサポートします。

帯域幅の必要性が、システムの耐用年数の間に短い距離で毎秒数百メガビットを超えないと確信できる場合は、マルチモードが低コストで選択されるべきである。しかし、システム内に分岐装置（カプラなど）が必要な場合は、分岐装置の安定性がはるかに優れているシングルモードファイバが推奨されます。シングルモード・システムは、アップグレード可能性が非常に高いため、マルチモード・システムよりも急速に成長していることを覚えておいてください。

マルチプレクサ

時分割多重(TDM)と波長分割多重(WDM)は、どちらも1本のファイバーを使って複数の信号トラフィックのストリームを伝送する。TDMはトラフィックストリームを別々のタイムスロットに割り当て、WDMはそれぞれを別々の波長で伝送する。TDMテクノロジーはファイバーあたり2.44Gbps（OC-48）を伝送できるが、WDMは波長あたり2.44Gbpsをサポートし、1550nmのウィンドウ付近だけでもファイバーあたり2波長から40波長以上をサポートできる。

コース波長分割マルチプレクサ（CWDM）と高密度波長分割マルチプレクサ（DWDM）の違いは、チャネル間隔に現れる。DWDMは一般的にチャンネル間隔が4nm以下と定義されているが、CWDMは通常20nmである。

ITUによって定義された16の標準CWDMチャンネルは以下の通りである：1470、1490、1510、1530、1550、1570、1590、1610nm（ITU-T.694.2 CWDMグリッド準拠）、1310、1330、1350、1370、1390、1410、1430、1450nm（ITU-T.694.2 CWDMグリッド準拠）。

また、850nm付近には、778、789、800、812、825、837、850、864nmの8つの一般的なCWDMチャンネルがある（IEEE 802.3z標準準拠）。

CWDMの最も重要な利点は、レーザー光源が温度制御を必要としないため、システムコストが大幅に削減されることである。一般的な海底テレメトリーシステムの帯域幅要件は限られているため、DWDMシステムが必要になる可能性は非常に低い。将来、必要な帯域幅がCWDMの容量を超えたとしても、ファイバーケーブルを交換することなくシステムをアップグレードすることができます。

従来のWDM技術は、850nmと1310nm、あるいは1310nmと1550nmを多重化し、システムの帯域幅を広げることに依存していた。近年、Cバンド（1530-1570nm）だけでなく、隣接するSバンド（1490-1530nm）とLバンド（1570-1620nm）でも色分散が低く、多種多様なDWDMコンポーネントが利用できるため、1550nmウィンドウの人気が高まっている。

WDM、CWDM、またはDWDM技術を使用すると、ファイバーを追加することなく、システムの容量を100倍以上に増やすことができます。多くのチャンネルと多くの帯域幅が利用できるため、一般的なROVシステムでは、すべてのデジタル信号とアナログ信号を1本のファイバーに簡単に多重化することができます。しかし、冗長性のために複数のファイバーが検討されることがよくあります。

光ファイバー・ロータリー・ジョイント

光ファイバーロータリジョイント（FORJ）は、光ファイバースリップリングと呼ばれることもあり、光ファイバーテレメトリーを使用する海底ROVシステムで極めて重要な役割を果たします。しかし、FORJ はすべて同じではありません。機械的構造や光学設計が異なるため、性能も異なります。以下に、FORJ の主な特性を示します：

挿入損失：3dBの挿入損失は50％の透過率に相当する。想像できるように、挿入損失がこのレベル以下に維持されなければ、光バジェット全体が大きく削られることになる。高光出力システム（1-4W）では、2-3dB以上の損失があると、デバイスが著しく加熱され、故障につながる可能性がある。

挿入損失の変動：カップリング条件の変化により、FORJ が回転するにつれて損失が変動するのは自然なことです。しかし、このばらつきがあるレベルに達すると、S/N 比が劣化します。最大 0.5dB が商業的に入手可能な最良の値です。リターンロス: すべてのレーザー光源、特に分布帰還型レーザーは光反射の影響を受けやすく、それがスペクトル変動、ひいてはパワー・ジッターの原因となります。リターンロスとは、光学システムで発生する反射の量を示す尺度です。45dBの反射は45dBのリターンロスに相当します。シングルモードファイバーシステムで正常なシステム動作を保証するために、最低45-50dBのリターンロスが受動部品の業界標準となっています。

光帯域幅：他の多くの受動光ファイバー部品と同様に、多くのFORJはスペクトル幅が限られています。最近、光ファイバの全スペクトル幅を保証する新しい設計が登場しました。そのため、850nmから1550nmまでの3つの光帯域すべてを多重化することが可能です。

パッケージスタイルピッグテールタイプのFORJは、安定した光学性能と長寿命のため、強く推奨されます。リセプタクルタイプの FORJ の光学性能は、相手コネクタに大きく依存します。リセプタクルタイプの場合、性能劣化も一般的です。嵌合の繰り返しによる塵埃や水分の混入が主な原因です。

コネクタの種類：歴史的な原因によって、STコネクタは FORJ アプリケーションでは主力となってきました。その光学性能の劣ることがよく知られていながらも。さらに、ST コネクタは反射損失を改善するために斜めに研磨されることができません。そこで、通信業界で最も普及しているFCコネクタを推お勧めします。8度の角度で研磨されたFC/APC（角度付き物理コンタクト）も容易に入手可能です。その他よく選ばれるコネクタ種類にはSC、SC/APC、LC及びLC/APCです。

サイズ：過去数十年間の光ファイバーコンポーネントの歴史が示唆す るとおり、FORJ は小型化が進むでしょう。コンパクトな FORJ は、回転に必要なトルクが小さく、占有スペースが小さ く、電気スリップリングとの統合が非常に容易です。

間違ったタイプの FORJ を選択すると、システムの性能に深刻な問題が生じることがよくあります。例えば、光パワーや周波数ジッターの最も一般的な原因となる高反射または後方散乱です。これは通常低反射損失と呼ばれます。

レーザーは基本的に、一定の発振周波数（波長）を持つ光発振器である。光反射や後方散乱は、その自然なピーク付近で光周波数を押したり引いたりする傾向がある。その結果、光出力はレーザーの利得プロファイルに従って変動する。

最良の解決策は、低反射損失の光コンポーネント（FORJなど）を特定し、高性能ユニットに交換し、すべてのSTコネクタをFC/APCコネクタに交換することです。

ローカル電源なしの全ファイバー・テレメトリー？

コア径が9ミクロンと小さくても、標準的なシングルモード・ファイバーは1Wレベルをはるかに超える光パワーを伝送できる。マルチモードファイバはkWレベルの光パワー処理能力を持つことができます。光起電力デバイスの効率が向上しているため、ローカル電源がない場合の全ファイバー遠隔測定システムは、もはや夢物語ではありません。

例えば、20％以上の効率を持つ太陽電池を搭載した場合、ステーションから10Wのレーザービームを送信することで、遠隔地で2Wの電力を得ることができる。

電気通信市場の一時的な衰退は、海底探査業界に、かさばる低速の全電気式テレメトリーから、部分的なファイバー・テレメトリー、あるいは全ファイバー・テレメトリーへの転換の歴史的機会を残した。この分野は標準的なWDMコンポーネントとシステムで埋め尽くされており、コストも大幅に削減されています。例えば、1310/1550nmのパッシブ全ファイバーWDMは、既製品で50～100ドルで購入できる。FORJの新製品も、性能が大幅に改善され、サイズが大幅に縮小され、入手性が向上しています。ですから、迷うのはやめて、新しい技術を受け入れ、リーダーになりましょう。

この記事はアンダーウォーターマガジン2003年5・6月号に掲載された：B. Zhang、F. Canizales。

最終更新日2011年10月30日