シングルモードファイバとは？初心者にもわかる光通信の基本と長距離を支える仕組み共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

シングルモードファイバとは？

「シングルモードファイバ」は、光ファイバの一種で、光がファイバの中を進むときに1つの伝搬モードだけを通すように設計されています。ここでは中学生にも分かる言葉で、なぜこの細い管が世界中を結ぶのかを解説します。

どうやって光は通るのか？

ファイバの芯は、ガラスの細い管のようなもので、芯の周りにはクラディングという外側の層があります。光は芯とクラディングの境界で全反射を起こし、ファイバの中を曲がりながら進みます。シングルモードファイバでは芯が細いため「1つの光の道」だけを伝え、複数の道ができるマルチモードにはなりません。これが後述の特長につながります。

シングルモードとマルチモードの違い

光ファイバには、シングルモードファイバとマルチモードファイバの2種類があります。マルチモードは芯が太く、光の通り道がいくつもあるため、信号が広がりやすく、短距離や安価な回線に向きます。一方、シングルモードは芯がとても細く、模様が乱れにくいため、長距離でも高速度で通信できます。これが、 backbone やデータセンター、長距離の光回線でよく用いられる理由です。

実際の構造と仕様

シングルモードファイバの芯径はおよそ8〜10マイクロメートル程度、クラディングは約125マイクロメートル、外被覆を含む全体は数百マイクロメートルの太さになります。伝送波長の窓としてよく使われるのは1310 nmと1550 nmと呼ばれる波長帯です。これらは光の損失（減衰）が小さく、長距離伝送に適しています。一般的な値として、1310 nm付近で約0.5デシベル/km、1550 nm付近で約0.2デシベル/km程度の減衰が見られます。

現場での使われ方

シングルモードファイバは、通信のバックボーンやデータセンター間の長距離リンク、地下や海底ケーブルの伝送路など、長距離かつ大容量の通信を支えます。光信号を発するレーザーダイオードなどの光源からの光を、ファイバに正しく結合し、コネクタを通じて接続します。接続部には高精度なコネクタと適切な端面処理が必要で、溶接や硬化処理、温度管理が重要になります。

特徴を表で見る

<th>項目

シングルモードファイバ
芯径	約8〜10マイクロメートル
クラディング径	約125マイクロメートル
伝送波長	1310 nm / 1550 nm
主な利点	長距離伝送、帯域幅の高いデータ通信
主な欠点	製造と接続が難しく、コストが高い

現場での注意点とまとめ

設計や施工時には、適切な機器選択と正確な接続が重要です。光ファイバは細いガラス製品なので、曲げ半径を守り、急激な温度変化を避けることが求められます。シングルモードファイバは長距離・高帯域の通信に強い特性を持つ一方で、コストが高く、取り扱いも難しいため、設計段階での選択が重要です。これを理解しておくと、デジタル社会を支える技術の一端を身近に感じることができます。

まとめ

本記事では、シングルモードファイバの基礎、仕組み、長所と短所、実務での使われ方を中学生にも分かるように解説しました。芯径が細くクラディングが厚い構造で、1つの光の道だけを伝える点が特徴です。1310 nmと1550 nmの波長帯を用い、長距離伝送に向くため、インターネットの backbone やデータセンター間の通信で広く使われています。いま私たちが使っている高速な通信網は、こうした小さなガラス管の積み重ねによって支えられているのです。

シングルモードファイバの同意語

シングルモードファイバ: 伝搬モードが1つだけの光ファイバ。長距離伝送・高容量伝送に適し、モード分散を抑える設計です。コア径は小さめ（おおよそ8〜10 μm程度）。
単一モードファイバ: シングルモードファイバの正式な日本語表記。伝搬モードが1つのみの光ファイバで、長距離通信に有利です。
単一モード光ファイバ: 同義。光信号を1つのモードで伝送するタイプのファイバで、低損失・低分散を実現します。
単一モードファイバー: 英語由来の綴り。意味は“単一モードのファイバ”と同じ。
単一モードの光ファイバ: 同義表現。読みやすさや文脈に応じて使われます。
SMF: 英語の略称。Single-Mode Fiber の頭文字で、技術文書や仕様表で広く使われます。
シングルモード光ファイバ: シングルモードファイバと同義。モードが1つだけの光ファイバで、長距離伝送に適します。

シングルモードファイバの対義語・反対語

マルチモードファイバ: シングルモードファイバの対義語としてよく使われる、モードが複数同時伝送される光ファイバ。コア径が比較的大きく、モード分散が原因で長距離伝送には向かないことが多い。
大径コアファイバ: コア径がSMFより大きい光ファイバで、複数モードを伝送可能な性質を持つ。シングルモードファイバの小径コアとは対照的な特徴を示す。
複数モード伝送: 複数のモードを用いて信号を伝送する伝送形態。長距離伝送でのモード分散の問題が生じやすく、シングルモード伝送の長距離利点と対比される。
短距離伝送用ファイバ: 長距離伝送を主に想定するシングルモードファイバとは対照的に、短距離・近距離通信に適したファイバの総称。MMFがよく用いられるケースが多い。
モード数が多いファイバ: モードの数が多い光ファイバを指す表現。結果的にマルチモードファイバやMMFの特性を表すことが多い。

シングルモードファイバの共起語

コア径: 芯の直径。シングルモードファイバでは通常約8〜10 μm程度で、単一の伝搬モードを維持するよう設計されています。
クラッド径: 芯を囲む層であるクラッドの直径。全反射を保ちつつ、機械的保護と伝送特性に影響します。
屈折率差: コアとクラッドの屈折率の差（Δ）。モードの閉じ込め度や伝搬特性に大きく影響します。
数値開口数: NA。ファイバーに光を取り込む角度の最大値を示す指標で、受け入れ角の広さを決めます。
1310nm帯: 1310 nm付近の波長帯。分散特性が良好で短中距離伝送に適しています。
1550nm帯: 1550 nm付近の波長帯。低損失が最も顕著で長距離伝送で主に用いられます。
モードフィールド径: モードが実効的に広がる半径。シングルモードの伝送性能を表す重要な指標です。
色分散: 波長依存によって伝搬速度が異なる現象。低分散設計が長距離伝送に有利です。
グループ速度分散: 波長ごとの伝搬遅延の差。信号歪みを抑えるための設計指標として重視されます。
伝送損失: 光がファイバーを伝わる際に失われるエネルギー。一般にdB/kmで表されます。
コーティング: 芯とクラッドを保護する被覆層。機械的強度と耐環境性を向上させます。
外被/ジャケット: ファイバーの外側の被覆。取り扱い性と耐久性を高め、環境保護を担います。
ITU-T規格: 国際的な通信規格。G.652やG.657など、シングルモードファイバの標準仕様を定義します。
G.652 の規格概説: SMFの代表的規格系のひとつで、低損失・低分散の要件を含みます。
マルチモードファイバとの比較: シングルモードとマルチモードの違いを理解するための対比語。

シングルモードファイバの関連用語

シングルモードファイバ: 光を1つの基本モードだけ伝送するよう設計された細い芯を持つ光ファイバで、長距離伝送に適しています。
コア径: 芯の直径。SMFのコアは約8〜10 μm程度で、クラッドは通常125 μm程度の直径を持ちます。
クラッド径: 芯を包む外層の直径。標準的には約125 μmのクラッド径を持つことが多いです。
Δ（屈折率差）: コアとクラッドの屈折率の差を表す指標で、光が芯にとどまる度合いや分散に影響します。
コアの屈折率分布: コア内の屈折率が空間的にどう分布しているか。均一コアやGRIN（勾配屈折率）など設計が異なります。
基本モード（LP01）: シングルモードで主に伝送される光のモード。ほとんどの信号はこのモードで伝わります。
高次モード（LP11 等）: LP01以外のモード。理想的には抑制しますが、励起条件次第で混入することがあります。
モードフィールド径: 実効的な光の分布半径。波長や設計によって約4〜12 μm程度の範囲になります。
近接モード抑制: 高次モードの励起を抑え、一本のモードで伝送を安定させる工夫です。
群速度分散（GVD）: 波長によって光の速度が異なる性質で、長距離伝送では分散補償が必要になることがあります。
ゼロ分散波長: 群速度分散がほぼ0になる波長。SMFでは概ね1310 nm付近がこれに相当します。
1310 nm帯: 低分散領域として長距離伝送に適した波長帯。損失は比較的低く、0分散付近での運用が多いです。
1550 nm帯: 低損失・長距離伝送に適した波長帯。分散が大きくなるため分散補償が重要になることが多いです。
色分散補償: 伝送距離に応じて生じる分散を打ち消す技術や機器。システムの信号品質を保ちます。
非線形光学効果: 光の強度が高いとファイバ内で起こる非線形現象。信号品質に影響することがあります。
自己位相変調（SPM）: 光の強度がその位相を変える非線形効果の一つ。長距離伝送で問題になることがあります。
クロス位相変調（XPM）: 別の波長の光が互いの位相を変える非線形効果。多波長伝送時に考慮します。
ITU-T G.652 規格: 標準的なシングルモードファイバの仕様を定めるITU-Tの規格。1310/1550 nm帯での低損失・低分散を目指します。
NZDSF（非ゼロ分散ファイバ）: 分散をゼロにはせず、非ゼロの分散を持たせたファイバ。長距離伝送の設計で分散補償を簡素化することがあります。
ファイバコネクタの代表規格（SC/FC/LC）: 端末同士を接続する規格。SC、FC、LCなどが代表的です。