光ファイバーの仕組み
光ファイバー（およびその技術である「光ファイバー通信」）は、現代の情報通信の基盤を支える非常に高度かつ精密な技術である。この記事では、光ファイバーの基本原理から構造、材料、使用方法、通信技術への応用、さらに利点と課題に至るまで、科学的かつ包括的に解説する。
光ファイバーの基本原理
光ファイバーの動作原理は、「全反射」という光学的な現象に基づいている。光が異なる屈折率を持つ2つの媒質の境界面に斜めから入射したとき、ある臨界角度を超えると、光はその境界面を完全に反射し、内部に閉じ込められる。これを「全反射（Total Internal Reflection）」という。
光ファイバーは、この現象を利用して、細くて柔軟なガラスまたはプラスチックの線内に光信号を閉じ込めて、長距離を高速で伝送することができる。
光ファイバーの構造と材料
光ファイバーは主に以下の三層構造で構成されている：
| 層名 | 材料 | 機能 |
|---|---|---|
| コア（Core） | 高純度ガラスまたはプラスチック | 光信号が伝送される中心部 |
| クラッド（Cladding） | コアより低い屈折率を持つ素材 | 全反射を可能にし、光をコアに閉じ込める |
| コーティング（Coating） | 樹脂など柔軟性のある素材 | 繊維の保護、外的ダメージから守る、柔軟性の確保 |
コアとクラッドの屈折率の差により、光はコア内で反射を繰り返しながら進行する。典型的なガラス製ファイバーの直径は、コアが約8〜62.5μm、クラッドが約125μmである。
光ファイバーの種類
光ファイバーには大きく分けて以下の2種類が存在する：
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シングルモードファイバー（Single-Mode Fiber）
極めて細いコアを持ち、光が1つのモード（経路）で伝送される。これにより信号の分散が最小化され、長距離通信に適している。主に通信キャリアや海底ケーブルで使用される。 -
マルチモードファイバー（Multi-Mode Fiber）
コアが太く、複数の経路で光が進む。伝送距離は短くなるが、コストが安く、LANや建物内通信などの近距離用途に適する。
光ファイバー通信の仕組み
1. 信号の生成
光ファイバー通信では、まず電気信号（デジタルデータ）を光信号に変換する。これには「レーザーダイオード」または「LED」が使われる。主にシングルモードファイバーにはレーザー光源、マルチモードにはLED光源が使用される。
2. 光信号の伝送
変換された光信号は、光ファイバーを通じて全反射により伝送される。この際、減衰（光の強度が弱まる現象）や分散（パルスが広がる現象）に注意が必要である。
3. 信号の受信と変換
受信側では、光信号を再び電気信号に変換するために「フォトダイオード」などの光検出器を使用する。これにより元のデジタルデータが再構築される。
光ファイバーの利点
| 特性 | 説明 |
|---|---|
| 高速伝送 | 光速に近い速度でデータを送信可能。帯域幅が広く、大量のデータを一度に送信可能。 |
| 長距離通信 | 電気信号より減衰が少なく、リピーターの数を削減できる。海底通信などに最適。 |
| 電磁波干渉の影響を受けない | 金属導体を使わないため、雷や電磁波によるノイズが発生しない。 |
| 小型・軽量 | 銅線よりも細くて軽く、施工や設置が容易。 |
| 高いセキュリティ性 | 光の盗聴は難しく、通信の秘匿性が高い。 |
光ファイバーの限界と課題
| 課題 | 詳細説明 |
|---|---|
| 高コスト | 初期導入コストが高く、特に敷設や接続には専門知識が必要。 |
| 物理的損傷に弱い | ガラス素材であるため曲げや衝撃に弱く、取り扱いに注意が必要。 |
| 接続・融着の難しさ | 光ファイバー同士の接続にはミクロン単位の精度が求められ、高度な機器と技術が必要。 |
| 減衰と分散 | 完全な損失ゼロではなく、長距離通信では中継器（リピーター）や波長分散補償技術が必要となる。 |
光ファイバーの応用分野
光ファイバー技術は、通信分野だけにとどまらず、さまざまな産業や科学技術分野に応用されている。
通信・インターネット
光ファイバーは、インターネットの基幹インフラとして利用されている。FTTH（Fiber To The Home）により、一般家庭でも高速かつ安定したインターネット接続が可能になっている。
医療分野
内視鏡やレーザー治療において、光ファイバーは不可欠である。極細のファイバーを用いて体内の映像を撮影したり、特定の部位にレーザーを照射することが可能である。
センサー技術
温度、圧力、ひずみなどの計測に用いられるファイバーセンサーは、過酷な環境下でも高精度で測定が可能であり、橋梁・トンネル・原子力施設などの安全管理に応用されている。
軍事・宇宙分野
電磁波干渉を受けない特性から、軍用通信や航空宇宙機器の内部配線にも利用されている。
最新技術：光ファイバーと量子通信
光ファイバー技術は、近年急速に進化しつつある量子通信にも重要な役割を果たしている。量子鍵配送（QKD: Quantum Key Distribution）などの量子暗号技術は、光ファイバーを伝送路として用い、従来の暗号よりも格段に安全性の高い通信を実現している。
特に日本を含む各国では、国家レベルでの量子インターネット構築に向けた研究が進行中であり、将来的には光ファイバーが量子情報の伝送基盤となる可能性が高い。
結論と展望
光ファイバーは、科学技術と情報通信の融合により生まれた現代のインフラ技術であり、その応用範囲は通信を超えて広がっている。今後、5Gや6G、量子通信、IoTの進展とともに、光ファイバーの役割はますます重要となるだろう。
光という自然現象を巧みに利用したこの技術は、通信の未来を切り開く鍵であり、日本のような技術先進国にとって不可欠な研究・投資分野である。
参考文献・出典
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小林英男（2019）『光ファイバ工学入門』オーム社
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井上光夫（2021）『光通信技術の基礎と応用』コロナ社
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NTT技術ジャーナル「次世代光ネットワーク技術」特集号
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国際電気通信連合（ITU）技術報告書 G.652, G.655
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日本光ファイバセンター（JOFC）公式資料
このように、光ファイバーは単なる高速通信の手段にとどまらず、現代社会の基幹を成す科学技術の結晶である。読者諸氏が本稿を通じて、その科学的意義と実社会への貢献を深く理解する一助となれば幸いである。