ステップインデックス型マルチモードファイバとグレーデッドインデックス型マルチモードファイバの比較

マルチモードファイバは、ファイバの屈折率分布に従って、ステップインデックスファイバとグレーデッドインデックスファイバに分けることができます。2種類のマルチモードファイバは動作原理が異なるため、異なるシナリオで使用されます。この投稿を読んで頂き、それらの動作原理とアプリケーションの詳細と違いを確認してください。

ステップインデックス型マルチモードファイバの動作原理とアプリケーション

光ファイバでは、ステップインデックスファイバとは、コア内に均一な屈折率が存在し、クラッドの屈折率が低いためにコアとクラッドの界面に急激に減少した屈折率が存在するファイバのことです。ステップインデックス型マルチモードファイバの場合、光は全反射の原理に従ってファイバ/コア軸に沿ってジグザグの形で伝播します。異なる入射角でファイバに入る光は、異なる経路を通過します。入射光は入力側で同時に同じ速度で伝播しますが、ファイバの出力側に到達するまでの時間が異なるため、モード分散と呼ばれる時間的分散が生じます。

ジタル通信では、光パルスを使用してファイバの長さに沿って信号を送信するため、モード分散により、パルスが大幅に広がり、ファイバに沿って移動するときにパルスが広がります。ファイバ伝送のモードが多いほど、散乱されるパルスが多くなります。ステップインデックス型マルチモードファイバの帯域幅を大幅に制限します。さらに、モード分散は光ファイバ通信にも適していません。デジタル光ファイバシステムでは、分散が深刻な場合、パルスが互いに重なり、シンボル間干渉（ISI）とビット誤り率（BER）が増加します。従って、ファイバ分散はファイバの伝送容量に影響するだけでなく、光ファイバ通信システムの中継距離も制限します。その制限のため、ステップインデックス型マルチモードファイバは、通常、短距離（数キロメートル以内）および低速（8Mb/s以下）の通信システムで比較的低コストで使用されます。但し、ステップインデックスシングルモードファイバでは状況が異なります。ステップインデックスシングルモードファイバでは、1つのモードの光しか伝送できないため、モード分散は非常に小さく、伝送距離への影響はほとんどありません。通常、シングルモードファイバすべてステップインデックスファイバです。

グレーデッドインデックス型マルチモードファイバの動作原理とアプリケーション

グレーデッドインデックス型マルチモードファイバは、コアの軸で屈折率が高く、コアとクラッドの界面に向かって徐々に減少するタイプの光ファイバです。つまり、グレーデッドインデックスファイバの屈折率は中心から徐々に減少し、最終的にはコアエッジのクラッドと同じ値まで減少します。屈折率の変化は、全反射ではなく屈折を引き起こします。光が屈折率の低い層を通過すると、光はファイバ軸に折り返されます。屈折により、光がクラッドの境界に到達する前にファイバ軸に折り返されるため、内部全反射は発生しません。

グレーデッドインデックス型マルチモードファイバの場合、光は正弦波振動の形で前方に進みます。ステップインデックス型マルチモードファイバと同様に、グレーデッドインデックス型マルチモードファイバ内の異なる光は、異なるパスに沿って進みます。ただし、屈折率分布型マルチモードファイバの光伝搬速度は、導波光の速度がファイバコアの屈折率によって変化するため、異なります。光がファイバの中心から遠くなるほど、その速度は速くなります。速度の違いは、ファイバの中心から最も遠い光線が続く長いパスを補正します。異なるモードの伝送時間をこのように均一化すると、モード分散が大幅に減少し、グレーデッドインデックスファイバの帯域幅がステップインデックスファイバより大きくなります。したがって、今日のマルチモードファイバのほとんどは、グレーデッドインデックスファイバです。ステップインデックスファイバと比較して、グレーデッドインデックスファイバは通常、中距離（10 ～ 20km）および比較的高速（34 ～ 140Mb/s）の通信システムで、より高いコストで使用されます。

ステップインデックス型マルチモードファイバ vs グレーデッドインデックス型マルチモードファイバ

上記により、ステップインデックス型マルチモードファイバとグレーデッドインデックス型マルチモードファイバは主に次の点で異なります:

特徴	ステップインデックス型マルチモードファイバ	グレーデッドインデックス型マルチモードファイバ
帯域幅サイズ	低帯域幅	より高い帯域幅
コア径	50-200 µm	約50 µm
アプリケーションシナリオ	通常、短距離（数キロメートル以内）および低速（8Mb/s以下）通信システムで使用されます	通常、中距離（10 〜 20 km）および比較的高速（34 〜 140Mb/s）の通信システムで使用されます
データ送信フォーム	光はファイバ/コア軸に沿ってジグザグの形で伝播します	光は正弦波振動/曲線の形で前方に移動します
モーダル分散	ファイバの伝送容量に影響し、リレー距離を制限します	ステップインデックスマルチモードファイバより分散が大幅に減少し、より高い帯域幅を実現します
パフォーマンス	比較的良くない	比較的良い
コスト	より安い	より高い

関連記事:

シングルモードとマルチモードファイバ:違いは何ですか？

シングルモードファイバ: どのくらい知っていますか？