光ファイバーとは何ですか?種類、用途、ケーブルの選択

光ファイバーは、ガラスやプラスチックの細い糸を通して情報を光のパルスとして送信する技術です。銅を通して電子を移動させる代わりに、光ファイバーリンクは精密に設計されたコアに光子を導きます。そのため、ファイバーは銅製のイーサネットケーブルよりも少ない干渉で、はるかに多くのデータを長距離にわたって伝送できます。

このガイドでは、光ファイバーとは何か、ファイバー リンクが物理的にどのように機能するか、すべてのデータシートに記載される OS および OM ケーブル カテゴリ、ファ​​イバーと銅線の比較、およびネットワークに適切なケーブルを選択するための実践的な意思決定フレームワークについて説明します。例は教科書の説明だけではなく、実際のエンジニアリングの制約に基づいています。

光ファイバーとは何ですか?

光ファイバーは、光ファイバーを使用して光を使用してデータを送信することです。光ファイバーは髪の毛ほどの細い束です。-ガラス、または一部の近距離用途ではプラスチック。光ファイバー ケーブルは、1 つ以上のファイバーを強度部材、緩衝材、およびジャケットで保護する完成したアセンブリです。

最も単純に考えると、光ファイバーは電気ではなく光でデータを移動します。この 1 つの変更が、ファイバーを現代のインターネット、ハイパースケール データ センター、モバイル フロントホールとバックホール、FTTH アクセス ネットワークのバックボーンにしています。

光ファイバーはどのように機能するのでしょうか?

光ファイバーリンクは電気信号を光に変換し、その光をガラスコアに送り、遠端で電気信号に変換します。次の 5 つのことが順番に起こります。

1. デバイス (スイッチ、ルーター、OLT、サーバー NIC) は電気信号を生成します。
2. トランシーバーはレーザー（シングルモードの場合）または VCSEL/LED（マルチモードの場合）を使用して、信号を特定の波長 -（通常は 850 nm、1310 nm、または 1550 nm）の変調光に変換します。
3. 光はファイバーコアを通って伝播し、内部全反射によって閉じ込められます。
4. 受信トランシーバーの光検出器は光を電気信号に変換します。
5. 受信デバイスは信号をデコードし、スタックに渡します。

光ファイバーの内部: コア、クラッド、コーティング

すべての光ファイバーには 3 つの同心円状の層があります。

• コア- 光が実際に通過するガラスのチャネル。シングルモード ファイバー-のコアは約 8 ～ 10 µm です。通常、マルチモード ファイバのコアは 50 µm (従来の OM1 では 62.5 µm) です。
• クラッディング- コアを囲むわずかに低い屈折率を持つガラス層。ほとんどの通信ファイバーは 125 µm のクラッドを使用します。
• コーティング- ガラスを湿気や取り扱いによる損傷から保護する保護アクリレート層 (通常は 250 µm)。

完成したケーブルには、裸のファイバーの他に、バッファ チューブ、アラミド糸、防水ジェルまたはテープ、外側ジャケットが追加されます。{0}ルーズな-チューブとタイトな-バッファリングのデザインさまざまな環境に対応します。-屋外および直接埋設の場合は緩い-チューブを使用し、{2}}屋内のケーブル配線にはしっかりとバッファリングされています-。
 

全内部反射が重要な理由

クラッドの屈折率が低いため、光はコア内に留まります。光が十分に浅い角度でコアとクラッドの境界に当たると、光は漏れ出すのではなく完全に反射してコア内に戻ります -。これは全反射と呼ばれる現象です。の光ファイバー協会これを光伝送を可能にする基本原理として説明しています。

これが、ファイバーが緩やかな曲げに耐えられる理由でもあります。ファイバーが乱用を許容するのはそのためではありません。ケーブルの最小曲げ半径を違反すると、マクロ曲げ損失が発生します。コネクタ端面にゴミが付着すると、挿入損失や後方反射が発生します。

光ファイバー ケーブルの主なタイプ: シングルモードとマルチモード

ファイバー プロジェクトで最初に決定するのは、シングルモードかマルチモードです。{0}他のすべての - コネクタ、トランシーバー、距離、コスト - はその選択に従います。

シングルモードファイバー（SMF）-

シングルモード ファイバには非常に狭いコア（通常 8～10 μm）があり、1 つの伝播モードのみをサポートします。光は本質的にコアを直線的に進むため、モード分散が排除され、非常に長い到達距離が可能になります。

シングル-モードは次の場合のデフォルトです。

• 長距離通信ネットワークと地下鉄ネットワーク-
• ISP バックボーンとアグリゲーション リンク
• キャンパスと建物-から-のバックボーン
• サイト間のデータセンター相互接続 (DCI)
• FTTH、FTTB、その他のアクセスネットワーク

最新のシングルモード ファイバーは OS1 または OS2 に分類されます。-違いは主に、ガラス自体ではなく、ケーブル構造（タイトなバッファチューブとルーズなチューブ）と 1 キロメートルあたりの減衰に関するものです。-OS2 は、屋外、長距離、FTTH の導入に標準的に選ばれます。-一方、OS1 は制御された屋内環境でより一般的です。

マルチモードファイバー (MMF)

マルチモード ファイバーには、多くの同時光パスをサポートするより大きな 50 µm コアがあります。これにより、光を - に結合するのが安くなります。VCSEL トランシーバーは、長距離-シングル-モード - に使用される DFB レーザーよりも大幅に安価ですが、異なるモード パスがわずかに異なる時間で受信機に到着するため、制限に達します。

マルチモードは通常、次の目的で使用されます。

• データセンター内の-オ-ラック リンクとリーフ スパイン リンク-の上部
• サーバー-からスイッチ-への接続およびストレージ接続
• 短い建物またはフロアのバックボーン
• ラボおよびテスト環境

OM1 から OM5 までのカテゴリは、段階的に高性能化されたマルチモード ファイバをカバーします。-OM3 と OM4 は、新しいデータセンターの設置の大部分をカバーします。、広帯域短波長分割多重 (SWDM) が使用されている場合に OM5 が追加されます。-
 

OS1、OS2、OM1 ～ OM5: 仕様と標準的な到達範囲

以下の表は、各カテゴリが一般的なイーサネット レートでどのように機能するかをまとめたものです。距離の数値は、関連する PMD の IEEE 802.3 標準に基づいています。特殊な光学系を使用すると、より長い到達距離が可能になります。

シングルモードとマルチモード ファイバーの比較

信頼できる経験則: リンクが建物の外に出る場合は、デフォルトでシングル モードを使用します。-単一の施設内に留まり、数百メートル以内にある場合は、通常、総コストの点でマルチモードが優先されます。

光ファイバーケーブルが銅線よりも高い帯域幅をサポートする理由

ファイバーの帯域幅の利点はマーケティングによるものではありません-それは物理学に由来しています。光周波数はツイストペアで達成できる周波数よりも数桁高いため、1 つのファイバーを 1 秒あたり非常に多くのデータで変調できます。波長分割多重化を使用すると、単一のストランドで数十の独立したチャネルをそれぞれ 100G、200G、または 400G で伝送できます。IEEE 802.3すでに 400G および 800G Ethernet over Fiber を定義しています。意味のある距離にある銅の上には、近くに何も存在しません。

光ファイバーケーブルはどこまでデータを送信できますか?

到達距離は、ケーブルだけではなく、ファイバー カテゴリ、トランシーバー、リンクの損失バジェットによって決まります-。参考ポイントとして：

• 10GBASE での OM3/OM4 マルチモード-SR: 300 m / 400 m
• 10GBASE での OS2 シングル-モード-LR (1310 nm): 10 km
• 10GBASE-ER (1550 nm) での OS2: 40 km
• 10GBASE-ZR、ライン側光学系-の OS2: 80 km
• コヒーレント DWDM システム: アンプを使用した場合、数百から数千キロメートル

ファイバーは銅線よりも安全ですか?

ファイバーは銅線イーサネットよりも密かに盗聴するのが困難です。ファイバにパッシブ タップを挿入すると、通常、測定可能な挿入損失と後方反射が発生します。これらは両方とも OTDR またはアクティブ リンク モニタリングで検出できます。対照的に、銅は電磁放射を漏洩し、近くで拾われる可能性があります。

これだけではファイバが「安全」になるわけではありません。-物理的にアクセスでき、適切な接続機器を備えた断固とした攻撃者は依然としてファイバを盗聴することができます。ファイバーを暗号化やアクセス制御の代替としてではなく、より強力な物理層基盤として扱います。-

光ファイバーの欠点と限界

ファイバーは、ほとんどの高性能リンクにとって正しい答えですが、実際の欠点もあります。{0}

短いリンクでは初期コストが高くなります

スイッチとデスクトップの間を 20 m 延長する場合、Cat 6 パッチ コードはファイバーの代替コードよりも速く、安価で、簡単です。ファイバ トランシーバ、接続ツール、融着接続機、OTDR テスト機器により、実際の資本コストが追加されます。

より専門的なインストール

繊維は粗悪な仕上がりに耐えられません。適切な取り付けこれは、曲げ半径を尊重し、引っ張り張力を制御し、コネクタを清潔に保ち、すべての終端をテストすることを意味します。これらの手順をスキップすると、接続テストには合格しますが、負荷がかかると失敗するリンクが作成されます。

ネイティブ電力供給なし

標準のファイバーには電流が流れないため、カメラ、アクセス ポイント、または電話に PoE を送信できません。ファイバーと銅の電力導体を組み合わせたハイブリッド ケーブルは存在しますが、これらは異なる製品クラスです。

互換性の落とし穴

ファイバー リンクは、すべてのコンポーネントが一致している場合にのみ機能します。ファイバー タイプ (SM または MM)、コネクタ (LC、SC、MPO)、研磨 (PC、UPC、APC)、波長、トランシーバーの到達距離がすべて一致している必要があります。たとえば、APC コネクタと UPC コネクタが一致しないと、物理的に嵌合しますが、許容できない挿入損失が発生します。

光ファイバーケーブルと銅線ケーブル

「ファイバーか銅か」に対する正直な答えは、「両方を適切な場所に」です。現在のキャンパスでは通常、バックボーンでシングルモード ファイバ、データセンター ホール内でマルチモード ファイバ、アクセス スイッチからエンドデバイスまでの銅線を実行しています。-

光ファイバーの一般的な用途

通信およびインターネットのバックボーン

長距離通信事業者は、DWDM コヒーレント光で照らされたシングルモード ファイバーを都市間で数千キロメートル走行しています。-大陸を接続する海底ケーブルもファイバー - であり、通常は 50 ～ 100 km ごとに光増幅器 (EDFA) が付いています。

ハイパースケールおよびエンタープライズ データセンター

最新のデータセンター内では、リーフ{0}}から-のリンクは通常、OM4 または OM5 を介した MPO{2}} ベースの並列光学系であり、サーバー-から-のリンクは OM3/OM4 上の LC 二重であることがよくあります。MPO および MTP トランクおよびブレークアウト ケーブルこれにより、40G、100G、および 400G のポート密度が大規模に実用的になります。

FTTHとブロードバンドアクセス

Fiber to the Home は、シングルモード ファイバーを OLT からパッシブ光スプリッターを介して各加入者の ONT まで延長します。{0}一般的な GPON または XGS-PON アーキテクチャは、1 つの PON ポートから 32 または 64 の家庭にサービスを提供し、ギガビット- クラスのダウンリンク速度をサポートします。の詳細な設計FTTHアクセスネットワーク独自のガイドの価値があります。

産業、医療、センシング

工場では、高電圧機器や可変周波数ドライブを通過するリンクの銅線がファイバーに置き換えられています。-銅線は電気ノイズを拾いすぎるため、信頼性が低くなります。-医療用内視鏡は、ファイバー束を使用して光と画像データを送信します。分散型ファイバー センサーは、パイプライン、周囲、構造物に沿った振動、温度、歪みを検出します。
 

適切な光ファイバーケーブルの選び方

ケーブルの選択は、製品ラインではなく、ネットワーク要件から始める必要があります。これら 5 つの質問を順番に説明します。

1. リンク距離と必要な速度はどれくらいですか?

速度に一致する IEEE 802.3 PMD に対して距離をマッピングします。 250 m の 10G リンクで OM3 を実行できます。 350 m 10G リンクには OM4 またはシングル- モードが必要です。 10G で 550 m を超えるとシングルモード領域になります。- 100G/400G の場合、マルチモードは急速に崩壊します - シングルモードは、単一の建物を超える場合は安全なデフォルトです。-

2. どのトランシーバーがファイバーに光を当てますか?

ケーブルと光モジュールは一致する必要があります。確認する：

• ファイバーの種類: シングルモードとマルチモード
• 波長: 850 nm vs 1310 nm vs 1550 nm、または CWDM/DWDM グリッド
• コネクタ: LC デュプレックス、SC、または MPO/MTP
• リーチ仕様（SR、LR、ER、ZR）
• 二重対並列 (MPO) シグナリング

間違ったトランシーバーとファイバーのペアリングは、「リンクが暗い」チケットの最も一般的な原因です。マルチモード パッチ コード上の 10GBASE-LR シングルモード トランシーバ-）が断続的にフラップしたり、まったくリンクしなくなる場合があります。

3. どのコネクタがあなたの機器に適合しますか?

現在実際の機器で見られる 4 つのコネクタ タイプは次のとおりです。

• LC- 最新の SFP/SFP+/SFP28 トランシーバーおよびほとんどのデータセンター二重リンクのデフォルト
• SC- は通信、FTTH ONT、および一部の従来のエンタープライズ機器で一般的です
• MPO/MTP並列 40G/100G/400G 光ファイバーと高密度トランクに使用される - マルチ{1}} ファイバー コネクタ-
• FCとST- は古いネットワーク、テスト機器、一部の産業用導入環境で見つかりました

各コネクタ タイプ - の詳細なチュートリアル (研磨スタイルや、APC と UPC の関係 - など) については、こちらをご覧ください。光ファイバーコネクタのタイプガイド.

4. 設置環境は何ですか?

ジャケットと構造もガラスと同じくらい重要です。

• 屋内ライザーまたはプレナム- 難燃性ジャケット-（法令で義務付けられている場合）（CMR、CMP）
• 屋外アンテナ- 耐紫外線性-ジャケット、多くの場合 ADSS または 8 の字構造を採用
• 直埋またはダクト- 外装またはゲルで満たされた-ルース-チューブ ケーブル
• 産業用関連する化学的および機械的暴露に対して定格された - 外装ケーブル

5. リンクはどのようにテストされますか?

ケーブルを引く前にテストを計画します。少なくとも、すべての終端はファイバースコープを使用したコネクタ検査と、光源とパワー メーターを使用した挿入損失テストを受けます。長いリンクやクリティカルなリンクの場合は、OTDR トレースを追加して、高損失イベントを見つけます。-フルーク・ネットワークスは優れた参考資料を発行しています認証とトラブルシューティングの両方のテスト方法について説明します。

結論

光ファイバーは本質的にすべての最新の高性能ネットワーク-の基盤です-。ケーブル カテゴリ、コネクタの種類、トランシーバーの選択はそれぞれ、リンクが仕様どおりに動作するかどうかに大きな影響を与えます。

• 使用OS2 シングル-モード建物から出るあらゆるものに加えて、FTTH と長距離も可能です。-
• 使用OM4 (SWDM の場合は OM5)-数百メートル以内にデータセンター リンクを構築する場合のマルチモード。
• 使用OM3予算が重要で、リンクの長さが十分に手の届く範囲にある場合。
• 使用銅短いアクセス リンク、PoE デバイス、および基本的なオフィスのケーブル配線に使用します。

調達前に、距離、速度、トランシーバー、コネクタ、環境、テスト計画を確認してください。ケーブルの選択によって設計を推進するのではなく、その作業を事前に行うこと - が、ファイバー設備がその意図された耐用年数全体にわたって機能するかどうかを予測する唯一の最大の要因となります。