光ファイバーとは｜仕組み・種類・通信・医療・センサーの用途解説

光ファイバーの仕組み・種類から通信・医療・センサーの用途までわかりやすく解説。選び方や最新技術も網羅した実用ガイド。

光ファイバーは、ガラスやプラスチックでできた細い繊維で、端から端まで光を運ぶことができる。光ファイバーの研究は光ファイバー工学と呼ばれ、応用科学と工学の一部である。

光ファイバーは主に通信に使われますが、照明やセンサー、玩具、狭い空間を見るための特殊カメラなどにも使われています。また、医療分野では、喉の奥など人の内部を見るために使われることもあります。

光ファイバーの仕組み

光ファイバーは中心にある「コア」と、その周りの「クラッド（被覆）」、さらに外側の保護被覆から構成されます。コアの屈折率がクラッドより高いため、光は界面で全反射を繰り返しながら伝搬します。これにより、光は長距離にわたって比較的低損失で伝わります。

主な伝送波長は可視〜近赤外領域で、通信で多く使われるのは約850 nm、1310 nm、1550 nmなどです。光の損失（減衰）は材料や波長に依存し、単一モードのシリカファイバーでは1550 nm付近で最も低く、典型的に約0.2 dB/km程度の損失を示します。一方、プラスチック光ファイバー（POF）は取り扱いやすく短距離用途に適しますが、損失は大きめです。

種類（構造と用途による分類）

• 単一モードファイバー（Single-mode）：コア径が小さく（約8–10 µm）、一つのモードだけを伝えるため長距離・高帯域幅の通信に向きます。長距離通信やデータセンター間リンクで一般的です。
• 多重モードファイバー（Multimode）：コア径が大きめ（典型的に50 µmまたは62.5 µm）で複数の伝搬モードを持ち、短距離・低コストのネットワーク（LANやビル内配線）に適します。モード分散のため長距離性能は単一モードより劣ります。
• プラスチック光ファイバー（POF）：柔軟で安価、扱いやすいため家庭用照明や車載、玩具など幅広い用途。光損失が高いため長距離通信には不向きです。
• 特殊ファイバー：偏波保持ファイバー、非線形光学用ファイバー、光ファイバセンサー向けの分布型ファイバーなど、用途に合わせた設計があります。

通信での利用（特徴と技術）

光ファイバーは高帯域幅・低損失・電磁干渉に強いという利点があり、インターネットのバックボーンやデータセンター、長距離海底ケーブルに広く使われています。主な技術要素は以下の通りです：

• 波長分割多重（WDM）による多チャネル伝送で、1本の光ファイバーに複数の波長で大量のデータを同時伝送できます。
• 光増幅器（例：EDFA）を用いることで中間での電気信号復号を減らし、長距離伝送が可能です。
• コネクタ（LC、SC、STなど）や融着接続（スプライス）による接続技術が重要で、損失や反射を最小化する必要があります。
• ネットワーク管理ではOTDR（光パルス反射測定）で断線や損失箇所を検出します。

医療での利用

医療分野では光ファイバーは内視鏡（エンドスコープ）やレーザー手術器具、光診断（例えば光学的生検補助）、光線療法のための光送達などに用いられます。光ファイバーは狭い体内経路にも柔軟に挿入でき、内部を明るく照らし高解像度の画像を取得できます。また、光ファイバーを通してレーザー光を患部に届けることで精密な切開や凝固が可能です。

センサー用途（原理と例）

光ファイバーは物理量（温度、ひずみ、圧力、振動など）を検出する高感度センサーとしても使われます。主な方式は：

• ファイバーブラッグ格子（FBG）センサー：ファイバー内部に特定周期の屈折率変化を刻み、反射波長のずれから温度やひずみを高精度に計測します。構造健全性監視（橋梁・トンネルなど）や産業機器で広く利用されます。
• 分布型センサ（Raman/Brillouin散乱）：ファイバー全長にわたる温度・ひずみを連続的に計測でき、長距離のパイプラインや送電線、地震観測に適しています。
• 干渉型センサー：マイケルソン型やマッハ・ツェンダー型など、光の位相差を利用して微小変位や屈折率変化を検出します。

その他の用途と実用上の利点・欠点

• 照明・ディスプレイ・玩具：柔らかい光の伝送やフォトニックデザインに使われます。
• 内視鏡カメラ・工業用ボアスコープ：狭い・暗い場所の観察に最適です。
• 利点：高帯域幅、電磁干渉に強い、漏えいが少ないため盗聴に強い、軽量で長距離伝送が可能。
• 欠点：曲げによる損失（曲げしきい値）がある、接続や修理に専用工具や技術が必要、初期敷設コストや設備コストがかかる場合がある。

製造と取り扱いのポイント

光ファイバーはプリフォームと呼ばれる大きな円柱状のガラス塊を高温で引き伸ばして細い繊維にする「ドローイング」工程で作られます。取り扱いでは以下が重要です：

• 曲げ半径を守る（過度の曲げは損失増大や断線の原因）。
• 端面の清掃と適切な研磨（コネクタ接続時の損失低減）。
• 適切な保護被覆やケーブル構造を選ぶ（屋外、海底、工業環境など用途に応じて）。

まとめ

光ファイバーは情報伝送から医療、センサー、照明に至るまで幅広い分野で不可欠な技術です。用途に応じてファイバーの種類や結合・検出技術を選ぶことで、高速かつ信頼性の高いシステムを構築できます。将来的にもデータ需要やセンシング技術の拡大に伴い、光ファイバーの重要性はさらに増していくと考えられます。

歴史

光ファイバーを実現する原理である内部反射による導光は、1840年代初頭にDaniel ColladonとJacques Babinetによってパリで初めて実証された。その12年後、物理学者であるジョン・ティンダルが、ロンドンでの公開講座でその実演を行った。

この原理は、1930年代にハインリッヒ・ラムが初めて内診に使用した。ガラス繊維を透明なクラッドでコーティングし、より適切な屈折率を提供する現代の光ファイバーは、この10年後に登場した。

1965年、イギリスのスタンダード・テレホン・アンド・ケーブル社（STC）のチャールズ・K・カオとジョージ・A・ホッカムは、光ファイバーの強度損失を低減できることを初めて示し、ファイバーを実用的な通信媒体とすることに成功した。彼らは、当時のファイバーの欠陥は不純物が原因であり、それを取り除けばよいことを提案した。そして、そのファイバーに使うべき材料として、純度の高い石英ガラスを指摘したのである。この発見により、花王は2009年にノーベル物理学賞を受賞した。

ダニエル・コラドンは、1842年に「On reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream」という論文で、この「光の噴水」または「光のパイプ」について初めて説明した。この図は、その後1884年に発表されたコラドンの論文に由来するものである。

仕組み

光ファイバーは、透明な素材でできた細長い繊維状のものです。形状は円柱に近い。中心には、コアがあります。コアの周りには、クラッドと呼ばれる層があります。コアとクラッドは異なる種類のガラスやプラスチックでできており、光はコアではクラッドより遅く進みます。コア内の光は、クラッドの縁に浅い角度で当たると跳ね返ってきます。光はコアの中を進み、クラッドで跳ね返されることがあります。ファイバーが急激に曲がったり伸びたりしない限り、ファイバーの端に来るまでは光が逃げません。

ファイバーのクラッドに傷がつくと、折れてしまうことがあります。バッファーと呼ばれるプラスチックのコーティングがクラッドを覆って保護します。多くの場合、バッファーされたファイバーは、ジャケットと呼ばれるさらに丈夫な層の中に入れられます。これにより、ファイバーを壊さずに使用することが容易になります。

1種類の光ファイバーに含まれる層 1.コア 8 µm2 .クラッド 125 µm3 .バッファー 250 µm4 .ジャケット 400 µm

使用方法

光ファイバー通信

光ファイバーの主な用途は、通信（テレコミュニケーション）である。光ファイバー通信は、光ファイバーに光のパルスを送ることで、ある場所から別の場所に情報を伝達する。光は電磁波の搬送波を形成し、それを変調して情報を伝達する。1970年代に開発された光ファイバー通信システムは、通信業界に革命を起こし、情報化時代の到来に貢献した。

初期のシステムは射程距離が短かったのですが、その後のシステムでは、より透明度の高いファイバーが使われています。光はファイバーから漏れないので、信号が弱くなる前に長い距離を移動することができます。これは、都市内や都市間で電話やインターネットの信号を送るのに使われている。電気伝送よりも優れているため、先進国の基幹ネットワークでは、銅線通信に代わって光ファイバーがほとんどを占めている。

光通信システムの多くは、電気的に接続されています。電気信号が送信機を制御する。送信機は、電気信号を光信号に変換し、ファイバーを通して受信機に送ります。受信機は、光信号を電気信号に戻す。

コンパクトディスクプレーヤーとステレオレシーバー間の音声信号の伝送など、より短い回線にもファイバーが使われることがある。このような短いリンクに使用されるファイバーは、多くの場合、透明度の低いプラスチックで作られています。ステレオの光プラグは、トスリンクが一般的です。

その他の用途

光ファイバーは、センサーとして使うことができます。そのためには、ファイバーの周囲に変化があると光の通し方が変わる特殊なファイバーが使われます。このようなセンサーを使うことで、温度や圧力などの変化を検出することができます。このようなセンサーは、小型で、感知する場所に電気を必要としないので便利です。

この繊維は、人間が見るための光を運ぶのにも使われます。これは、光ファイバークリスマスツリーのように、装飾に使われることもあります。電球が必要な場所とは別の場所にあるのが便利な場合、照明に使われることもあります。標識や美術品の特殊効果に使われることもあります。

ファイバーを束ねたものを使って、内視鏡やファイバースコープと呼ばれる装置を作ることができます。これは、小さな穴に入れることができる細長いプローブで、ファイバーを通して中の様子をカメラに写すことができます。内視鏡は、医師が人体の内部を見るために使用するほか、技術者が機械の狭い空間を見るために使用することもあります。

光ファイバー（特殊な化学物質を添加したもの）は、光増幅器として使用することができます。これにより、光信号を電気信号に変換することなく、端点間でより遠くまで伝送することができ、部品全体のコストを削減することができます。この光増幅器は、レーザーの材料としても利用できます。これはファイバーレーザーと呼ばれるものです。細長いファイバーは冷却が容易で、良質な光ビームを作ることができるため、非常に強力なレーザーとなります。

トスリンクプラグ


通常の光と光ファイバーを使ったクリスマスツリー


ファイバースコープで見た時計内部の様子。

質問と回答

Q:光ファイバーとは何ですか?

Q:光ファイバの研究はどのように呼ばれていますか?

Q:光ファイバーは主に何に使われているのですか?

Q:光ファイバーは医療でどのように使われることがあるのですか?

Q:光ファイバーの用途は、通信以外にあるのですか?

Q:光ファイバーで人の体の中を見ることができるのですか?

Q:光ファイバーの研究は、応用科学や工学の一部なのでしょうか?

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