内容

Introduction

前提条件

Requirements

使用するコンポーネント

表記法

デシベルとは

10 を底とする対数のルール

dB

1 mW を基準とするデシベル（dBm）

1 W を基準とするデシベル数（dBW）

パワーおよび電圧の利得

光ファイバの構造

ファイバのタイプ

波長

光パワー

挿入損失について

パワー バジェットの計算

関連情報

概要

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特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、初期（デフォルト）設定の状態から起動しています。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

ドキュメント表記の詳細は、『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 Log10（P1/P2）

ここで、Log10 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： Log_10は、eを底とするNeparian対数（LnまたはLN）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 Log10（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）= Log10 (P1/P2)

1 デシベル（dB）= 1 ベル / 10 = 10 * Log10 (P1/P2)

dBr = dB（relative）= dB = 10 * Log10（P1/P2）

10 を底とする対数のルール

- Log10 (AxB) = Log10 (A) + Log10 (B)

- Log10 (A/B) = Log10 (A) - Log10 (B)

- Log10 (1/A) = - Log10 (A)

- Log10 (0,01) = - Log10 (100) = -2

- Log10 (0,1) = - Log10(10) = - 1

- Log10 (1) = 0

- Log10 (2) = 0,3

- Log10 (4) = 0,6

- Log10 (10) = 1

- Log10 (20) = 1,3

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

- Log10 (100) = 2

- Log10 (1000) = 3

- Log10 (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 Log_10 (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)

10000

40 dB = 10 x Log_10 (10000)

1 mW を基準とするデシベル（dBm）

dBm = dB milliwatt = 10 x Log_10 (Power in mW / 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/1mW=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 Log_10 (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 Log_10 (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 ミリ秒

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 Log10(P in/P out) = 20xLog10(V in/V out)

利得（dB）= 10 x Log10(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

4th wavelength

1625nm (L band)

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%

1/5 the power

8

16 %

84 %

入力パワーの 1/6

9 ミリ秒

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 Log10（P2 / P1）

You must understand these two important things about insertion loss:

- The specified insertion loss is for identical fibers.

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 Log10（diar/diat）2

LNA = 10 Log10（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

Patch Panel 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