光ファイバー

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。