光ファイバーの仕組みと接続方法

光ファイバーとは？

光ファイバーは、光の変化を利用してデータを伝える通信ケーブルです。ケーブルの内部には、光が通る「コア」と、その周囲を覆う「クラッド」があります。コアとクラッドの屈折率の違いを利用し、光をファイバーの内部に閉じ込めながら伝える仕組みです。

ネットワークで使う光ファイバーには、主にガラス製の非常に細い繊維が使われています。パソコンなどの機器で扱うデータは電気信号ですが、光ファイバーで通信する場合は、その信号を光に変えて送ります。受け取った側では、光を再び電気信号へ戻して処理します。

通常のLANケーブルとの違い

オフィスで使用するLANケーブルには、銅線で電気信号を送るものと、光ファイバーで光信号を送るものがあります。

光ファイバーの特徴は、長い距離でも高速なネットワークを構成できることです。例えば、離れた建物にあるスイッチ同士を接続するとき、銅線LANケーブルでは通常の配線距離を超えてしまう場合があります。光ファイバーなら、対応する通信機器と組み合わせることで、数百mから数km離れた場所まで接続できます。

また、光ファイバーは電気信号ではなく光で通信するため、周囲の電気機器などから発生する電磁ノイズの影響を受けにくいという利点があります。

一方、固定席のパソコンや複合機など、100m以内で接続できる機器には、銅線LANケーブルが便利です。一般的なLANポートへ直接接続でき、PoEによる給電にも対応できます。光ファイバーと銅線LANケーブルは、どちらが常に優れているというものではなく、通信する距離や速度、設置する環境によって使い分けられています。

光ファイバーで通信する仕組み

光ファイバーを使用するには、光を送受信できる機器が必要です。その役割を担う部品の一つが「光モジュール（光トランシーバー）」です。光モジュールは、スイッチなどの通信機器に取り付けて使用する小型の部品で、電気信号と光信号を相互に変換します。

光モジュールによる信号の変換

光ファイバーで2台のスイッチを接続する場合、通信は次のような流れになります。

① スイッチ：データを送信する

スイッチなどの通信機器から、送信するデータが電気信号として光モジュールへ渡されます。

② 光モジュール：電気信号を光信号に変換する

送信側の光モジュールが電気信号を光へ変換します。

③ 光ファイバー：光信号を伝える

変換された光が、光ファイバーの内部を通って相手側へ届きます。

④ 光モジュール：光信号を電気信号に戻す

受信側の光モジュールが光信号を電気信号へ戻し、接続先の通信機器へ渡します。

実際の光モジュールは、通常、送信と受信の両方の機能を備えており、相手側から届くデータも同じ仕組みで受け取ります。

光モジュールと光ファイバーは組み合わせて使う

光モジュールには、対応する通信速度や光の波長、使用するファイバーの種類が決められています。例えば、10Gbps対応の光モジュールでも、すべての光ファイバーに接続できるわけではありません。光モジュールの仕様では、主に次の項目を確認します。

また、光モジュールは通信機器側との互換性も重要です。差込口に収まる形状であっても、スイッチがそのモジュールの通信方式や製品に対応していなければ使用できない場合があります。

シングルモードとマルチモードの違い

光ファイバーには、大きく分けて「シングルモード」と「マルチモード」の2種類があります。光が通るコアの太さや光の伝わり方が異なり、利用する通信方式や距離によって使い分けられます。

マルチモード：建物内などの比較的短い距離に使用

マルチモードは、光が複数の経路（モード）を通って伝わる光ファイバーです。一般的なOM3・OM4のコアの直径は50µm（マイクロメートル）で、建物内のフロア間接続や、サーバールーム内のネットワークなどに使用されています。マルチモードにはOM3・OM4・OM5などの種類があり、それぞれ伝送性能が異なります。例えば、10GBASE-SRという10Gbpsの通信方式では、OM3で最大300m、OM4で最大400mの接続が可能な構成があります。

シングルモード：建物間などの長距離接続に使用

シングルモードは、光が基本的に1つのモードで伝わる光ファイバーです。コアの直径は約9µmとマルチモードより細く、光信号が長距離を進む際の波形の広がりを抑えられるため、長い距離の通信に適しています。代表的な区分がOS2で、離れた建物同士の接続や、通信事業者のネットワークなどにも使われています。例えば、10GBASE-LRという10Gbpsの通信方式では、対応するシングルモードファイバーを使用して最大10kmの接続が可能です。

ここで紹介した距離は、あくまで対応する通信方式を使用した場合の例です。マルチモードだから必ず数百m、シングルモードだから必ず10kmというわけではありません。

光ファイバーの通信速度と距離

光ファイバーで接続できる距離は、ケーブルの種類だけでは決まりません。同じ10Gbpsでも、使用する光モジュールの通信方式とファイバーの組み合わせによって、最大距離が異なります。代表的な10Gbpsの接続例は次のとおりです。

※対応する光モジュールと、規格に適合する配線を使用した場合の代表的な値です。

「SR」は短距離向け、「LR」は長距離向けの通信方式を表す名称です。例えば、別のフロアに設置したスイッチまで200mの光ファイバーで接続する場合、既設配線がOM3であれば、10GBASE-SRを利用できる可能性があります。

一方、1km離れた別棟との接続であれば、上記の10GBASE-SRの距離を超えるため、10GBASE-LRなどの長距離に対応した方式が必要です。

光ファイバーの距離は何で制限される？

光ファイバーの中を進む光は、距離が長くなるにつれて少しずつ弱くなります。また、ケーブルの曲がりや、途中にある接続部、光ファイバー同士の接続箇所でも光が失われます。こうした光の損失を「光損失」と呼びます。光モジュールには、送信する光の出力と、正常に受信できる光の強さの範囲があります。相手側へ届く光が弱すぎると、通信が不安定になったり、接続できなくなったりします。

反対に、受信できる上限より強い光が届く構成も適切ではありません。そのため、長距離用のモジュールに交換すれば、どんな距離でも使えるわけではありません。接続距離と配線の損失、光モジュールの受信条件を合わせて判断する必要があります。

1芯と2芯の接続方法

一般的な光ファイバー接続には、送信用と受信用の2本の芯を使用する方式があります。この場合、片側の送信側から相手の受信側へ1芯、反対方向の通信にもう1芯を使用します。

一方、「BiDi」と呼ばれる方式では、異なる波長を使うことで、1芯の光ファイバーで双方向の通信を行います。BiDiの場合は、両端に対応する波長の組み合わせを持つ光モジュールが必要です。

使用する芯数や接続する端子については、「光ファイバー端子の種類」で詳しく紹介しています。

光ファイバーで接続するときの注意点

光ファイバーは、対応する機器とケーブルを組み合わせることで長距離・高速通信を実現できますが、銅線LANケーブルとは取り扱いの条件が異なります。

接続する機器とファイバーの種類を合わせる

光ファイバーを交換したり、新しく接続したりする場合は、両端の機器・光モジュール・ケーブルの組み合わせを確認する必要があります。例えば、端子が同じLCであっても、シングルモード用とマルチモード用の光モジュールを、そのまま同じ条件で使用することはできません。

また、LC・SCなどはコネクターの形状を表す名称です。端子の形だけで、使用できるファイバーの種類や通信速度が決まるわけではありません。既設の光ファイバーを調べる場合は、ケーブルの印字や品番、両端の光モジュールの型番などが判断材料になります。

ケーブルの色も手掛かりにはなりますが、色だけでファイバーの種類を確定することは避けてください。

光ファイバーではPoE給電ができない

通常のガラス光ファイバーは、光でデータを送るためのケーブルであり、電力を供給するものではありません。そのため、光ファイバーで接続するスイッチやメディアコンバーターには、それぞれ電源が必要です。銅線LANケーブルと組み合わせた複合ケーブルなど、通信と電源をまとめて配線する方法もありますが、光ファイバー自体が電力を送っているわけではありません。

光ポートやケーブルの先端を直接のぞかない

光ファイバーの接続部分からは、目に見えないレーザー光が出ていることがあります。光モジュールのポートや光ファイバーの先端は、直接のぞき込まないでください。 ルーペや顕微鏡などの光学機器を使ってのぞくことも避けてください。また、光ファイバーは内部に細いガラス繊維が使われているため、強く曲げたり、引っ張ったりすると、通信品質の低下や破損につながることがあります。

接続部分の汚れも通信に影響するため、端面を指で触ったり、一般的なティッシュなどで拭いたりすることは避けてください。稼働中のネットワーク機器からケーブルを抜き差しすると、接続先の通信が停止する場合があります。光ファイバーの交換・清掃・測定は、作業に必要な機器と知識を持つ担当者へ依頼してください。