光ファイバ、dB、減衰と測定の概要

はじめに

この文書は、光テクノロジーに関するいくつかの公式や重要な情報を簡潔にまとめたものです。このドキュメントでは、デシベル（dB）、デシベル/ミリワット（dBm）、減衰、および測定に焦点を合わせ、光ファイバの概要について説明します。

前提条件

要件

このドキュメントに関する固有の要件はありません。

使用するコンポーネント

このドキュメントの内容は、特定のソフトウェアやハードウェアのバージョンに限定されるものではありません。

このドキュメントの情報は、特定のラボ環境にあるデバイスに基づいて作成されました。このドキュメントで使用するすべてのデバイスは、クリアな（デフォルト）設定で作業を開始しています。対象のネットワークが実稼働中である場合には、どのようなコマンドについても、その潜在的な影響について確実に理解しておく必要があります。

表記法

表記法の詳細については、『シスコ テクニカル ティップスの表記法』を参照してください。

デシベルとは

デシベル（dB）は信号強度の相対的な差異を表すための単位です。デシベルは、次に示すように、2 つの信号のパワー比の対数（底 = 10）として表されます。

dB = 10 x Log_{10（P1/P2）}

ここで、Log_{10 は 10 を底とする対数です。P1 および P2 は比較するパワーです。}

注：Log₁₀は、Neparian Logarithm（LnまたはLN）base e logarithmとは異なります。

信号の振幅も dB で表すことができます。パワーは、信号振幅の 2 乗に比例します。したがって、dB は次のように表すことができます。

dB = 20 x Log_{10（V1/V2）}

ここで、V1 および V2 は比較する振幅です。

1 ベル（現在は使用されない単位）= Log_{10（P1/P2）}

1 デシベル（dB）= 1 ベル / 10 = 10 * Log_{10（P1/P2）}

dBr = dB（relative）= dB = 10 * Log_{10（P1/P2）}

10 を底とする対数のルール

• Log_{10 (AxB) = Log10 (A) + Log10 (B)}

• Log_{10 (A/B) = Log10 (A) - Log10 (B)}

• Log_{10 (1/A) = - Log10 (A)}

• Log_{10 (0,01) = - Log10 (100) = -2}

• Log_{10 (0,1) = - Log10(10) = - 1}

• Log_{10 (1) = 0}

• Log_{10 (2) = 0,3}

• Log_{10 (4) = 0,6}

• Log_{10 (10) = 1}

• Log_{10 (20) = 1,3}

  Log_{10 (2 x 10) = Log10 (2) + Log10 (10) = 1 + 0,3}

• Log_{10 (100) = 2}

• Log_{10 (1000) = 3}

• Log_{10 (10000) = 4}

dB

次の表に、パワー比と、その対数から計算される dB（デシベル）との関係を示します。

電力比	dB = 10 x Log10 （パワー比）
AxB	x dB = 10 x Log10(A) + 10 x Log10(B)
A/B	x dB = 10 x Log10(A) - 10 x Log10(B)
1/A	x dB = + 10 x Log10 (1/A) = - 10 x Log10 (A)
0,01	- 20 dB = - 10 x Log10(100)
0、1	- 10 dB = 10 x Log10 (1)
1	0 dB = 10 x Log10 (1)
2	3 dB = 10 x Log10 (2)
4	6 dB = 10 x Log10 (4)
10	10 dB = 10 x Log10 (10)
20	13 dB = 10 x (Log10 (10) + Log10 (2))
100	20 dB = 10 x Log10 (100)
1,000	30 dB = 10 x Log10 (1000)
10,000	40 dB = 10 x Log10 (10000)

1 mW を基準とするデシベル（dBm）

dBm = dB milliwatt = 10 X Log_{10（mW 単位で表した電力/1 mW）}

電源	比	dBm = 10 X Log10（mW 単位で表した電力/1 mW）
1 mW	1 mW/1 mW=1	0 dBm = 10 x Log10 (1)
2 mW	2 mW/1 mW=2	3 dBm = 10 x Log10 (2)
4 mW	4 mW/1 mW=4	6 dBm = 10 x Log10 (4)
10 mW	10 mW/1 mW=10	10 dBm = 10 x Log10 (10)
0,1 W	100 mW/1 mW=100	20 dBm = 10 x Log10 (100)
1 W	1000 mW/1 mW=1000	30 dBm = 10 x Log10 (1000)
10 W	10000 mW/1 mW=10000	40 dBm = 10 x Log10 (10000)

1 W を基準とするデシベル数（dBW）

dBW = dB W = 10 X Log10（W 単位で表した電力/1 W）

電源	比	dBm = 10 X Log10（mW 単位で表した電力/1 mW）
1 W	1 W / 1 W = 1	0 dBW = 10 x Log10 (1)
2 W	2 W / 1 W = 2	3 dBW = 10 x Log10 (2)
4 W	4 W / 1 W = 4	6 dBW = 10 x Log10 (4)
10 W	10 W / 1 W = 10	10 dBW = 10 x Log10 (10)
100 mW	0,1 W / 1 W = 0,1	-10 dBW = -10 x Log10 (10)
10 mW	0.01 W / 1 W = 1/100	-20 dBW = -10 x Log10 (100)
1 mW	0.001 W / 1 W = 1/1000	-30 dBW = -10 x Log10 (1000)

パワーおよび電圧の利得

パワーの利得と電圧の利得の比較表を次に示します。

dB	電力比	電圧比	dB	電力比	電圧比
0	1,00	1,00	10	10,00	3,16
1	1,26	1,12	11	12,59	3,55
2	1,58	1,26	12	15,85	3,98
3	2,00	1,41	13	19,95	4,47
4	2,51	1,58	14	25,12	5,01
5	3,16	1,78	15	31,62	5,62
6	3,98	2,00	16	39,81	6,31
7	5,01	2,24	17	50,12	7,08
8	6,31	2,51	18	63,10	7,94
9	7,94	2,82	19	79,43	8,91
10	10,00	3,16	20	100,00	10,00

この情報から、減衰および利得を求める公式が定義できます。

減衰（dB）= 10 x Log_{10(P in/P out) = 20xLog10(V in/V out)}

利得（dB）= 10 x Log_{10(P out/P in) = 20 x Log10(V out/V in)}

光ファイバの構造

光ファイバは、情報を伝達する媒体の一種です。光ファイバはシリカ系ガラス製で、中心部（コア）はクラッドにより覆われています。ファイバの中心部分（コア）の屈折率は、N1 で表します。コアのまわりを覆っているクラッドの屈折率はそれよりも低く、N2 で表します。ファイバに光が入ると、クラッドは光をファイバ コアに閉じ込め、光がコアとクラッドの境界面で反射を繰り返しながら、ファイバの中を進んでいきます。

図 1 – 光ファイバの構造

ファイバのタイプ

現在、最も広く製造販売されているのは、シングルモード（SM）ファイバとマルチモード（MM）ファイバです。図 2 に、これら両方のファイバ タイプを示します。

図 2 - SM ファイバと MM ファイバ

波長

少量の光をファイバに入射します。電磁スペクトル（図 3 を参照）が可視波長（400 nm 〜 700 nm）のものと、近赤外波長（700 nm 〜 1700 nm）のものとに分かれます。

図 3 - 電磁スペクトル

光ファイバによる通信では、伝送損失が少なくなる特別な 4 種類の波長が使用されます。次の表に、それらの波長を示します。

Windows	波長	損失
第 1 波長	850 nm	3 dB/km
第 2 波長	1310 nm	0.4 dB/km
第 3 波長	1550 nm（C バンド）	0.2 dB/km
第 4 波長	1625 nm（L バンド）	0.2 dB/km

光パワー

光の損失を測定するには、dBm と dB の 2 つの単位を使用します。dBm は、mW を基準とした実際のパワー レベルを表します。dB（デシベル）は、パワー間の差異を表します。

図 4 - 光パワーの測定方法

光入力パワーが P1（dBm）、光出力パワーが P2（dBm）、パワー損失は P1 - P2 dB です。入力と出力の間でどれくらいの電力が損失したかを確認するには、次のパワー換算表の dB 値を参照してください。

dB	入力パワーに対する出力パワーのパーセンテージ	失われたパワーのパーセンテージ	備考
1	79 %	21 %	-
2	63 %	37 %	-
3	50 %	50 %	入力パワーの 1/2
4	40%	60%	-
5	32 %	68 %	-
6	25 %	75%	入力パワーの 1/4
7	20 %	80%	入力パワーの 1/5
8	16 %	84 %	入力パワーの 1/6
9	12 %	88 %	入力パワーの 1/8
10	10 %	90 %	入力パワーの 1/10
11	8 %	92%	入力パワーの 1/12
12	6.3 %	93.7 %	入力パワーの 1/16
13	5%	95 %	入力パワーの 1/20
14	4%	96%	入力パワーの 1/25
15	3.2 %	96.8 %	入力パワーの 1/30

たとえば、ファイバへの直接入射光（LD）の光入力が 0 dBm で、出力パワーが -15 dBm であった場合、ファイバの光損失は次のように計算されます。

Input   Output    Optical Loss 
0dBm -  (-15dBm)  =15dB 

パワー変換の表では、光損失の 15 dB は損失した光パワーの 96.8 % に相当します。つまり、ファイバを伝送される光は、入力光パワーの 3.2 % に過ぎないことがわかります。

挿入損失について

光ファイバを相互接続すると、必ず損失が発生します。コネクタやスプライスによる挿入損失とは、そのデバイスをシステムに挿入したときのパワーの差です。たとえば、ある長さのファイバを用意して光を入射し、そこを通った光パワーを測定します。読み取り値（P1）を書き留めます。ここで、ファイバを半分に切断して終端し、再度、パワーを測定します。読み取り値（P2）を書き留めます。最初の測定値（P1）と 2 番目の測定値（P2）との差異が、挿入損失になります。つまり、ラインにコネクタを挿入したときの光パワーの損失が、挿入損失です。これは、次のように求めます。

IL（dB） = 10 Log_{10（P2 / P1）}

挿入損失についは、次の重要な 2 点について理解しておく必要があります。

• 挿入損失とは、同一のファイバで測定した値です。

  データ送信側のコアの直径（または NA）がデータを受信するファイバの NA よりも大きい場合は、損失が大きくなります。

  Ldia = 10 Log_{10（diar/diat）}²

  LNA = 10 Log_{10（NAr/NAt）}²

  定義：

  • Ldia = 損失直径

  • diar = 受信側の直径

  • diat = 送信側の直径

  • LNA = 光ファイバの損失

  フレネル反射により、さらに損失が発生する可能性があります。フレネル反射は、2 つのファイバが離れていて、屈折率の不連続な部分が存在しているときに発生します。2 つのガラスファイバの間に空気のギャップがある場合、フレネル反射は 0.32 dB です。

• 損失はラウンチによって左右されます。

  挿入損失はラウンチに左右され、結合されている 2 つのファイバの状態によって影響されます。ラウンチが短い場合は、クラッドとコアの両方で伝送される光エネルギーによって、光ファイバがオーバーフィルド状態になります。距離が長くなるにつれて余分なエネルギーが失われていき、最後には equilibrium mode distribution（EMD; 平衡モード分散）という状態になります。ラウンチが長い場合、ファイバは EMD に到達しています。余分なエネルギーはすでに失われており、コネクタの地点までは伝達されません。

  ファイバの相互接続部を光が通過すると、余分なクラッド モードによってファイバが再びオーバーフィルド状態になります。このモードの光はすぐに減衰します。受信側が短い場合はこの状態になります。短い受信側ファイバの出力パワーを測定すると、余分なエネルギーが測定されます。ただし、余分なエネルギーは、遠くまでは伝達されません。この測定値は正しい値とはいえません。逆に、受信側ファイバが EMD に到達するほど長い場合は、挿入損失の測定値は高くなりますが、実際の状態を反映した値になります。

  EMD（ラウンチと受信側がともに長い状態）は、簡単にシミュレートできます。それには、マンドレルにファイバを 5 回巻きつけます。これによって、クラッドモードが取り除かれます。

パワー バジェットの計算

リンクのパワー バジェットを大まかに計算できます。これには、ファイバ間の接続損失を 0.75 dB とし、ファイバの長さに比例してファイバ損失が発生するものとします。

100 m の間にパッチ パネルが 3 つあり、3.5 dB/km の損失特性を持つ 62.5/125 ファイバの場合の総損失は、次に示すように 2.6 dB になります。

ファイバ：3.5 dB/km = 100 mの場合0.35 dB

パッチパネル 1 = 0.75 dB

パッチパネル 2 = 0.75 dB

パッチパネル 3 = 0.75 dB

合計 = 2.6 dB

実際の測定値は、これより低くなるのが普通です。たとえば、AMP の SC コネクタの平均挿入損失は 0.3 dB です。この場合のリンク損失は 1.4 dB だけです。10 Mbps のイーサネットであっても、155Mbps の ATM であっても、損失は同じです。

ファイバ システムの認証では、Optical time-domain reflectometry（OTDR; 光時間領域反射測定）計測器がよく使われます。OTDR 計測器は、ファイバに光を入射し、戻ってきた光を検出して、結果をグラフィックに表示します。OTDR 計測器は、光の戻ってくる時間を測定して、事象への隔たりを割り出します。表示されたグラフを確認することで、単位長さ当たりの損失を調べたり、スプライスやコネクタの接続状態を評価したり、不具合が起きている地点を特定したりできます。OTDR 計測器は特定の地点にズームインして、リンクの一部をクローズアップできます。

リンクの認証や評価は、パワーメータと信号光源があれば実施できる場合が多いものですが、OTDR 計測器を使用すれば、リンク全体の状態の的確な把握と診断が可能になります。ただし、OTDR 計測器での表示を理解するには、多くのトレーニングとある程度のスキルが必要です。

関連情報

• 光製品に関するサポート ページ
• テクニカル サポートとドキュメント - Cisco Systems