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。