光ファイバーが光でデータを運ぶ仕組み

光ファイバーケーブルは、銅線上の電気信号ではなく、光のパルスとしてデータを伝送します。レーザーやLEDが光を点滅させたり変調したりして、デジタルデータの1と0を表現し、受信側の検出器がその点滅を読み取ってデータに戻します。光はガラスの中をほとんど損失なく進むため、光ファイバーは銅線よりもはるかに高速で、長距離まで信号を届けられます。

光ファイバーの素線は、次のような層構造になっています。

• コア — 光を通す、非常に細いガラスの中心部分です。
• クラッド — コアの周囲にあるガラスで、光を内側へ反射します。
• バッファとジャケット — 外側を保護するコーティングです。

コアとクラッドは、性質がわずかに異なるガラスでできています。この違いによって、光はコアに沿って反射を繰り返しながら進みます。

光ファイバーは全反射によって機能します。コアのガラスはクラッドのガラスよりも光を大きく屈折させるため、光が浅い角度で境界面に当たると、外へ逃げずに完全にコアへ反射されます。光のパルスはファイバー内を進み、緩やかなカーブにも沿って進みます。このように光を閉じ込める仕組みが、信号を失わずに数キロメートルにわたってデータを伝送できる理由です。

ガラス中では、銅線中の電気信号よりも光のエネルギーがはるかにゆっくり失われます。そのため光ファイバーは、信号を増幅するまでにより広い帯域幅と、銅線の上限である100メートルを超えるより長い距離（数キロメートル）を実現できます。また、光は非常に高速で点滅させられるため、膨大なデータレートにも対応できます。こうした特性により、光ファイバーはインターネットやデータセンターの基幹回線となっています。

光ファイバーの大きな利点は、電磁干渉の影響を受けないことです。電気ではなく光を伝送するため、近くのモーター、電力線、無線ノイズによって信号が壊れることはありません。そのため、電気的なノイズが多い工場や、落雷や接地電位差によって銅線が損傷するおそれのある建物間の配線に適しています。また、信号を放射しないため、盗聴も困難です。

機器は電気信号のEthernetを扱うため、光ファイバーリンクには、送信時に電気信号を光へ、受信時に光を電気信号へ変換するモジュールであるトランシーバーが必要です。一般的な挿抜式トランシーバーにはSFP（Small Form-factor Pluggable）や、より高速なSFP+があります。これらはスイッチのポートに差し込み、リンクごとに適切なファイバーの種類と距離を選べるようにします。

光ファイバーは高性能ですが、欠点がないわけではありません。

• 長所 — 高速、長距離、EMI耐性、安全性。
• 短所 — ケーブルとトランシーバーが高価、ガラスが壊れやすい、融着や成端が難しい。

ガラス製のコアは急に曲げるとひびが入ることがあります。また、ファイバーの接続には精密な工具が必要なため、銅線よりも施工技術が重要になります。

光ファイバーは慎重に扱う必要があります。最小曲げ半径を超えて曲げると、光が漏れたりガラスが破損したりするため、絶対に避けてください。コネクタの端面は清潔に保ちましょう。わずかなほこりでも十分な光を遮り、リンクを妨げることがあります。また、通電中のファイバーやトランシーバーを直接のぞき込まないでください。赤外線レーザー光は目に見えませんが、目を傷めるおそれがあります。これらの安全上のポイントは試験にも登場します。

光ファイバーは、速度と距離が特に重要な場所で広く使われています。

• 都市や海をまたぐインターネットのバックボーン。
• 高速スイッチを接続するデータセンターのコア。
• キャンパス内の建物間の配線。
• 高速ブロードバンドを提供する家庭向け光回線。

デスクトップではコスト面から銅線が選ばれることも多い一方、舞台裏では光ファイバーが大量のトラフィックを運んでいます。

1本の光ファイバーは通常、1方向に光を伝送するため、リンクでは2本の素線を使い、1本を送信用、もう1本を受信用として全二重通信を行うことがよくあります。そのため、光ファイバーのパッチケーブルは、2本を一体化したペアとして提供されることが多いのです。高度な単心システムの中には、1本のファイバー上で異なる光の波長を使って送受信するものもありますが、一般的なのは送信用ファイバーと受信用ファイバーを組み合わせる方式です。

長い鏡張りのトンネルの中で、誰かが懐中電灯をモールス信号のように点滅させている場面を想像してください。壁が光を反射するため、光は弱まらずに遠くまで進み、メッセージは反対側へそのまま届きます。光ファイバーはガラスでできたそのトンネルであり、点滅がデータです。トンネル内を電気が流れるわけではないため、外部の電気的なノイズがメッセージを乱すことはありません。

光ファイバーの仕組みについての理解を確認しましょう。

光ファイバーは、クラッドに囲まれたガラス製のコアを通して、光のパルスとしてデータを伝送し、全反射によって光を閉じ込めることを学びました。これにより、高い帯域幅、長距離伝送、電磁干渉への耐性が得られます。SFPなどのトランシーバーは、電気信号と光信号を相互に変換します。光ファイバーは高価で壊れやすく、コネクタの清掃、曲げ半径、目の安全に注意が必要です。インターネットのバックボーン、データセンター、キャンパス間のリンクを支えています。