シングルモードとマルチモードの光ファイバー

光ファイバーには、主にコアの大きさと光の進み方が異なる2種類があります。それがシングルモードとマルチモードです。選択によって、距離、速度、コストが変わります。リンクに適した種類を選ぶことは基本的なスキルであり、試験ではそれぞれの種類を長所と対応付ける問題がよく出題されます。このレッスンでは両者を明確に比較し、混同しないようにします。

モードとは、光がファイバー内を進む経路のことです。コアが広いと、光はさまざまな角度から入射できるため、一度に多くの経路、つまりモードを通って進みます。一方、コアが非常に細いと、光は実質的に1本の直線的な経路、つまりシングルモードに限定されます。コアの直径が、各ファイバーの種類と特性を決める重要な違いです。

シングルモードファイバー（SMF）は、直径約9ミクロンの非常に小さなコアを持ち、光が1つの経路だけを通るようにします。モードが1つだけなので、光はまとまったきれいな状態を保ち、非常に長い距離（数キロメートル）を高い帯域幅で伝送できます。SMFはレーザー光源を使用し、通信事業者のバックボーン、キャンパス間の長距離配線、サービスプロバイダーのリンクに適しています。

マルチモードファイバー（MMF）は、直径約50または62.5ミクロンの大きなコアを持ち、光が一度に多くの経路を通ることを可能にします。そのため、製造コストが低く、取り扱いも簡単で、低コストのLEDやVCSEL光源と組み合わせるのに適しています。ただし、複数の経路を通るため伝送距離が制限されます。MMFは建物内やデータセンター内などの短距離配線に適しており、通常は数百メートル程度までです。

なぜマルチモードの伝送距離は短いのでしょうか。それはモード分散が起こるためです。複数の経路を通る光は到着時間がわずかに異なるため、鋭いパルスが距離とともに広がってぼやけ、受信側で正確に読み取れなくなります。シングルモードは経路が実質的に1つなので、パルスの鋭さをより長距離にわたって保てます。モード分散が、両者の伝送距離に差が生じる主な理由です。

マルチモードファイバーは、OMカテゴリ（OM1、OM2、OM3、OM4、OM5）に分類され、数字が大きいほど高い帯域幅と長い伝送距離に対応します。OM3とOM4は、データセンターの10ギガビット以上のリンクでよく使われ、アクア色であることが多いです。シングルモードファイバーのジャケットは通常黄色です。色分けによって、技術者は一目で種類を見分けられます。

次の重要な違いを覚えておきましょう。

• シングルモード — 小さなコア、レーザー光源、長距離、高コスト、黄色のジャケット。
• マルチモード — 大きなコア、LED/VCSEL光源、短距離、低コスト、アクア色またはオレンジ色のジャケット。

シングルモードは距離と帯域幅で優れ、マルチモードは短距離配線のコスト面で優れています。

意外に思うかもしれませんが、シングルモードのケーブルはマルチモードと同程度の価格になることがあります。一方、シングルモードのトランシーバーとレーザーは高い精度が必要なため、より高価です。マルチモードは光学部品が安価なので、建物内に多数ある短距離リンクに経済的です。つまり、コストの判断はガラスそのものだけでなく、光学部品と距離が重要になります。この点は試験で問われる可能性があります。

基本的な考え方は簡単です。長距離にはシングルモード（建物間、都市間、通信事業者向け）、短距離にはマルチモード（建物内やデータセンター内）を使用します。シングルモードとマルチモードのセグメントを直接接続してはいけません。コアが一致しないため、リンクが機能しなかったり、性能が低下したりします。配線全体で、ファイバーの種類、トランシーバー、コネクタを一致させてください。

2種類のファイバーは、それぞれ異なる光源と組み合わせます。シングルモードでは、非常に小さなコアへ光を正確に集束させて入射するレーザーを使用します。マルチモードでは通常、より大きなコアに適した安価なLEDやVCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）を使用します。この組み合わせが、シングルモード用の光学部品が高価になる理由の1つです。また、トランシーバーは特定のファイバーの種類向けに作られているため、マルチモード用モジュールをシングルモードのリンクへ自由に付け替えることはできません。

実際には、インターネットプロバイダーが地域内から近隣地域までシングルモードファイバーを敷設し、データセンターでは数メートル離れたラックスイッチ間をOM4マルチモードで接続し、キャンパスでは離れた2つの建物をシングルモードで接続します。こうしたパターンを理解すると、距離や環境から一方のファイバーの種類が明らかな状況問題に答えやすくなります。

光ファイバーの種類についての知識を確認しましょう。

2種類の光ファイバーを比較しました。シングルモードは小さなコアと1本の光路を持ち、レーザーを使用します。高い帯域幅で長距離に対応するため、バックボーンや建物間のリンクに適しています。マルチモードは大きなコアと複数の光路を持ち、安価なLED/VCSEL光学部品を使用しますが、モード分散によって距離とともにパルスがぼやけるため、短距離配線に適しています。マルチモードはOMカテゴリ（OM3/OM4が一般的）に分類され、シングルモードは黄色、マルチモードはアクア色であることが多いです。距離と環境に応じて、適切なファイバーの種類を選びましょう。