短距離シングルモード・データセンター・アプリケーションでは反射率が注目の的に

2025 年 10 月 15 日 / 一般、学習、インストールとテスト、アップグレードとトラブルシューティング

多くのユーザーが、挿入損失がファイバー・アプリケーションにおける重要なパラメーターであることを理解しています。特に、厳しい損失バジェットが課されるマルチモード・アプリケーションではなおさらです。一方、長距離のシングルモード・アプリケーションでは、これまで挿入損失がそれほど問題視されることはありませんでした。しかし、損失バジェットがより小さく、反射率にも依存する短距離のシングルモード・アプリケーションでは、この前提は通用しなくなっています。

黒い背景に緑のレーダー状画面が表示され、同心円の間に「Reflectance」という文字が浮かび上がっている

厳密な挿入損失バジェット

マルチモード・アプリケーションでは、通信速度の向上に伴って挿入損失の要件およびリンク長がますます厳しくなっています。OM4 マルチモード・ファイバーを使用した 10 Gig/400 メートル (10GBASE-SR) の場合、最大挿入損失は 2.9 dBです。OM4 マルチモード・ファイバーを使用した 400 Gig/100 メートル (400GBASE-SR4) の場合、最大挿入損失はわずか 1.8 dBです。これに対し、長距離シングルモード・アプリケーションでは、損失バジェットがはるかに大きくなり、10 km アプリケーション (LR) では 6.3 dB、40 km アプリケーション (ER) では 15～18 dB の範囲となります。しかし、新しい短距離シングルモード・アプリケーション（DRおよびFR）では、挿入損失バジェットがマルチモード・アプリケーションに近い値に設定されています。しかも、これらのアプリケーションでは、挿入損失だけでなく反射減衰にも注意を払う必要があります。

短距離シングルモード・アプリケーションは、マルチモード・ファイバーでサポートされる 100 メートルを超える距離を必要としながら、高出力で高価なレーザー・トランシーバーを使用する長距離シングルモード・アプリケーションほどの伝送距離を必要としない、データセンター・リンクで人気が高まっています。その代わりに、短距離のシングルモード・アプリケーションでは、コスト効率の高い低出力トランシーバーを使用し、500 メートルまたは 2000 メートルの距離をサポートします。こうした低コストのアプリケーションでは、下表に示すように挿入損失許容量がより小さく設定されています。

このように挿入損失の上限が低いため、複数の接続点を含むリンクでは問題が生じる可能性があります。シングルモード接続を選択する際に、設計者は挿入損失を考慮し、低損失のコンポーネントを選択して予算内に収める必要があります。標準の 0.75 dB コネクタでは、もはや十分ではありません。（計算してみればわかるように、0.75 dB のコネクタを 4 個使用し、さらにケーブル損失を加えた場合、短距離 DR チャネルでは簡単に損失バジェットを超えてしまいます。）

これらの新しい短距離シングルモード・アプリケーションでは、損失バジェットの削減を認識する必要があるだけでなく、反射率にも配慮する必要があります。実際、これらのアプリケーションにおける挿入損失の上限値は、反射率に依存しています。

反射率、そして短距離シングルモードでそれが重要な理由

短距離シングルモード・アプリケーションで反射率が問題となる理由を説明する前に、まずその基本を確認しておきましょう。

反射率とは、コネクタやケーブル端面からトランシーバー方向へ反射される信号パワーの量を、注入された信号パワーの量と比較して測定したものです。この値は常に負の値で表されます。反射率は本質的にリターン・ロスの逆であり、リターン・ロスは注入された信号パワーに対してどれだけの信号が反射・戻ってきたかを測定するもので、こちらは常に正の値として表されます。反射率およびリターン・ロス値のいずれも、ゼロから離れているほど良好であるとされています。（詳細については、挿入損失は正の値になるはずを参照してください。）

ファイバー・コネクタでは、2 本のファイバーの間にわずかな空気の隙間が存在します。ガラスと空気の屈折率の差によって光が反射されます。反射減衰は、端面の汚染や研磨不良、芯のずれ、ファイバーの亀裂、ファイバー末端の開放、製造上の不純物によっても引き起こされます。

マルチモード・トランシーバーは反射に対して高い耐性を備えていますが、シングルモード・トランシーバーはそれほど高くありません。特に高波長になるほどその影響を強く受けます。実際、高出力のシングルモード・レーザーでは、過剰な反射がトランシーバー自体を損傷させるおそれがあります。そのため、APC コネクターは、長距離シングルモードのアプリケーションで一般的に使用されています。APC コネクターは、端面が 8 度の角度で研磨されており、光をトランシーバー方向へまっすぐ反射させずにクラッド内へ反射させる構造になっています。このため、より優れた反射減衰特性（およびリターン・ロス）を実現します。なお、UPC タイプの LC コネクターでも良好な反射率を得ることは可能ですが、シングルモードの多芯 MPO コネクターはすべて APC 仕様です。これは、平坦な端面を持つ UPC 構造では、MPO で要求される反射減衰レベルを達成できないためです。

新たな反射率の要件

シングルモード・トランシーバーは従来から反射率の影響を受けやすい傾向にありますが、短距離シングルモード・アプリケーションで使用される低コスト・低出力のトランシーバーでは、さらに反射の感度が高くなります。TIA 568.3 ファイバー配線規格では、コネクターのリターン・ロス（正の値）を規定していますが、Tier 1 試験での測定は必須要件ではありません。ただし、IEEE 802.3 イーサネット規格では、反射率（負の値）を規定しています。さらに、Tier 2 試験で使用される OTDR は、リターン・ロスではなく反射率を測定して報告します。

短距離シングルモード・アプリケーションでは、IEEE がチャネル内の接続ペア数に基づいて反射率の値を規定しています。反射率の要件を満たせない場合は、最大チャネル挿入損失をさらに引き下げる必要があり、これが APC コネクター採用の重要な理由となっています。下表に示すように、嵌合コネクターの反射率の値が -37 dB の場合、短距離シングルモード・チャネル内で使用できるコネクターは 1 個のみです。一方、反射率の値が改善され -49 dB となれば、チャネル内で 10 個のコネクターを使用できます。

IEEE では、チャネル内の最大損失を求めるために、個別の反射点の数に対する挿入損失の関係を下表のように規定しています。

• 400GBASE-DR4 アプリケーションでは、反射率の値が −50 dB のコネクタを 4 個使用し、−35〜−45 dB の範囲に該当する接続が存在しない場合、挿入損失は 3.0 dB となります（表では赤で強調表示）。

• 同じ 4 つのコネクターの反射率が -40dB の場合、最大挿入損失は 2.7 dB まで下がります（表では黄色で強調表示）。

• 反射率の値はゼロから離れるほど、良好である点を忘れてはなりません。

設計時に考慮すべきポイント

ほとんどのシングルモード LC および MPO コネクターは、約-55 dB の良好な反射率を備えているため、挿入損失が 3.0 dB のチャネル設計は容易に思えるかもしれません。しかし注意が必要です。コネクターの端面には、日常的なジャンパーの抜き差しによる微細な汚れや異物の付着が時間の経過とともに生じるため、反射率の特性は徐々に悪化します。つまり、初日に -55 dBだった反射率が、永続的に -55 dBを維持するとは限らないということです。ファイバー端面の汚れや微粒子は、特にシングルモード・コネクターにおいて重大な問題となります。シングルモード・ファイバーのコア径はわずか 9 ミクロンと非常に小さいため、微細な埃 1 粒でも光を大きく遮断してしまうのです。これは、コア径が 50 ミクロンのマルチモード・ファイバーに比べて、光が遮断されやすいことを意味します。

たとえ Tier 2 の OTDR 試験でコネクターの反射率が初日に −55 dB と測定されたとしても、長期的には反射率が悪化する可能性があるため、ある程度の余裕をもたせた設計が望まれます。短距離シングルモード・アプリケーションで 4 つのコネクターを使用する場合、設計上の目標値を 2.7 dB ではなく 3 dB に設定することが推奨されます。

また重要なのは、Tier 1（挿入損失）試験で十分な余裕をもって合格していても、反射率が過剰な場合にはリンクが動作しなくなる可能性があるという点です。そこで活躍するのがフルーク・ネットワークス Fluke Networks OptiFiber™ Pro のような OTDR です。この機器は、接続部の反射率を正確に測定できる唯一の手段です。OptiFiber Pro は結果を自動的に解釈し、直観的なグラフィカル EventMap にすべての接続の詳細な反射率を表示します。

CertiFiber Pro EventMap 画面に表示される反射

^{CertiFiber Pro は、直観的なグラフィカル EventMap に反射値を表示します。}

黄金律を忘れないでください。すべてのコネクターの点検

短距離シングルモード・アプリケーション（またはファイバー・アプリケーション）において、もう一つ重要な要素となるのが適切な検査です。メーカーが「このコネクタの反射率は−55 dBです」と謳っていても、実際に開封直後からその性能が発揮されるとは限りません。そのため、接続する前にすべてのコネクターを点検し、必要に応じて清掃することが非常に重要です。

コネクタは、ジャンパーの抜き差しを繰り返すうちに汚れや微粒子が付着するため、検査と清掃は初日だけで終わりにすべきものではありません。特に短距離シングルモード・アプリケーションでは、反射減衰性能の劣化が挿入損失やチャネル全体の性能に影響を及ぼすおそれがあるため、定期的な実施が不可欠です。

また、フルーク・ネットワークスの FI-700 FiberInspector™ Pro または FI-500 FiberInspector Micro などのツールで APC コネクターを検査する場合には、8 度の角度に対応した APC 用プローブチップ（別売）を使用し、正しい角度で観察できるようにすることを忘れてはなりません。