光ファイバーは、とても ほそい ガラスの ひもです。まんなかの コアを 光が とおります。まわりの クラッドとの さかいめで、光は はねかえって、コアの 中に とじこめられます［1］。

コアの ふとさは、10マイクロメートルほど。1ミリの 100分の1です［2］。そこに、ほんの 10ミリワットの レーザー光を 入れるだけで、コアの 中は、太ようの ひょうめんと 同じくらいの 光の つよさに なると、NICTの しりょうは しょうかいして います［3］。

ただし、光が とおるのは 1つの みち。ほそい みちに ぎゅっと あつめた 光でも、とおくへ いく うちに、少しずつ 弱く なって しまいます。

とうきょうから サンフランシスコまでは 8300キロ。1回 光を 出した だけでは、とどきません［5］。どうして 光は 弱く なるのでしょう。

通信に使われる光ファイバーは、中心のコアと、外側のクラッドという2層でできています。コアのほうが屈折率が高く、境目で光が全反射して、コアの中に閉じこめられます［1］。

よく使われるシングルモードファイバーでは、コアの直径は約10マイクロメートル（9マイクロメートルの規格品が多い）、クラッドの外径は125マイクロメートルです。光の通り道は1つに限られます［2］。NICTの資料には、わずか10ミリワットのレーザー光がコアに入ると、コアの断面あたりの光の強さが太陽の表面に相当する値（1平方センチメートルあたり15.7キロワット）になる、という図があります［3］。これは明るさの比較ではなく、細いコアに光が集中していることを表した数字です。

これだけ光を集めても、道のりが長くなれば光は弱まります。東京〜サンフランシスコ間の約8300キロは、1回の送信では伝送できません［5］。では、光はなぜ弱まるのでしょうか。

通信用のシングルモードファイバー（SMF）は、コア径が約10μm（9μmの規格品が多い）、クラッド外径が125μmで、光の通り道（モード）が1つに限られる［2］。コアは屈折率が高く、クラッドは低い。境界での全反射で光がコアに閉じこめられる［1］。

NICTのパネル資料は、コア径0.009mmのファイバーに10mWのレーザー光が入ると、コアの断面あたりの光の強さ（パワー密度）が太陽の表面に相当する15.7kW/cm²になると示す［3］。明るさの比較ではなく、断面あたりのパワー密度の比較である。

これほど光を集めても、長い道のりでは光が弱まる。東京〜サンフランシスコ（約8300km）を1回の光信号の発信で伝送することはできない［5］。では、なぜ弱まるのか。

ガラスの 中では、ものが つまって いる ぐあいが、ほんの 少し ムラに なって います。そこに あたった 光は、まわりに ちらばって しまいます。これを、レイリーさんらんと いいます。

ファイバーの 光が 弱まる わけの 8わりいじょうが、この さんらんだと いわれます［4］。

1970年代の ファイバーでは、1キロで 光は 100分の1に なりました。それが、わずか 30ねんほどで、100キロで 100分の1の ところまで 来ました［4］。たとえるなら、小さい声の 人が、となりの 部屋から、100ばいも とおくの 人に きこえる ように なった ようなものです。ただし 本当の 光は、声と ちがって、ちらばって 弱まります。

さて、光の 色を えらぶと、さらに 弱まりにくい ところが あるのでしょうか。

光ファイバーに使われるシリカガラスでは、伝送損失の80％以上がレイリー散乱によるものです。ガラスの密度のわずかなゆらぎで、光が四方に散らばることが原因です［4］。

1970年代に1キロあたり20dBだった損失は、わずか30年ほどの間に、通信に使う波長帯で約0.2dBまで下がりました［4］。20dBは強さが100分の1になる量なので、100分の1になる距離は約1キロから約100キロに伸びた計算になります（dBからの換算値で、実測の距離ではありません）。

では、この「約0.2dB」が出る光の色（波長）は、どうやって選ばれたのでしょうか。

シリカガラスの伝送損失の80％以上はレイリー散乱が占める。ガラスの密度のゆらぎによる散乱である［4］。

損失は1970年代の20dB/kmから、約30年の間に通信波長帯で約0.2dB/kmまで下がった［4］。20dBは強さの比で100分の1に当たるため、100分の1になる距離は約1km（20dB/km）から約100km（0.2dB/km）へ、約100倍に伸びた計算になる。これはdBからの換算値である。

損失の大半が散乱なら、波長を選べば損失を下げられるはずだ。その選び方が次の問いになる。

光ファイバーで つかう 光は、ひとの 目に 見えない 赤外線です。色の ちがいを あらわす ものさしが、波長です［5］。

いまの 光つうしんは、波長が 1.5マイクロメートルの あたりで おこなわれて います。1キロで 0.2dBと、いちばん 弱まりにくい 色だからです［5］。

ちらばる 光は、波長が ながいほど 少なく なりやすい ものです。でも ながく しすぎると、こんどは ガラス そのものが 光を すいこみやすく なります。この あいだに、ちょうど よい ところが あるのです。

ただし、どんなに 弱まりにくい 色でも、100キロごとに 光は 100分の1に なって いきます。弱まった 光は、どうすれば いいのでしょう。

Japan Prizeの授賞業績の解説には、現在の光通信は、1キロあたりの光の減衰が約0.2dBと最も小さい1.5マイクロメートル帯（最低損失波長）で行われている、とあります［5］。マイクロメートルは1ミリの1000分の1で、この波長は赤外線の領域にあり、目には見えません。

散乱は波長が長いほど小さくなる傾向があります。ただし波長がさらに長くなると、ガラス自体が光を吸収する量が増えます。その中間に、損失の最も小さい帯があります。

とはいえ、最小の損失でも、100キロで光は100分の1になります。8300キロでは、光を何度もつぎ足さなければなりません。

現在の光通信は、1kmあたりの光減衰が約0.2dBと最小の1.5μm波長帯（最低損失波長）で行われている［5］。μmはマイクロメートルで1mmの千分の1、この波長は赤外線の領域にあり、目には見えない。

散乱は波長が長いほど小さくなる傾向があり、一方で長波長では材料自体の吸収が増える。損失の主因を波長で下げられるぎりぎりの位置に、最低損失の帯がある、という構図である。個別の吸収の山の位置や、散乱の波長依存の厳密な式は、ここで使った資料では扱われていない。

最低損失でも、100km進めば強さは100分の1になる。8300kmを渡るなら、光を何度も補う仕組みが要る。

1980ねんだいは、弱った 光を、いちど 電気に かえて ふやして いました。この そうちは 大きくて、電気を たくさん つかいました［5］。

たとえるなら、聞こえにくい 話を、いちど 紙に 書きうつして、また 読みあげるような もの。てまが かかります。

そこで 日本の 研究者の なかざわ まさたかさんが、「エルビウム」という ものを まぜた ファイバーに、1.48マイクロメートルの 光を あてる やりかたを、世界で はじめて ていあん しました［5］。あてた 光の ちからを、つうしんに つかう 光が うけとって、そのまま 強く なります［5］。

のちに べつの 研究者たちが、10センチ四方ほどの 小さな そうちで、212キロ、光の まま とどける ことに せいこうしました［5］。ただし これは、海ではなく、ためした きょりです。

この そうちを、海の 中で 100キロほどごとに おけば、光は 太平洋を わたれます［5］。でも、1本の ファイバーに、光は ひとつしか おくれないのでしょうか。

1980年代に単一モード光通信が実用になったころ、弱まった光は、いったん電気信号に変えて増幅されていました。この電気増幅器は大型で、大きな電力が必要でした［5］。

中沢正隆は、エルビウムを加えたファイバーと、1.48マイクロメートルの半導体レーザーの励起光を組み合わせる光増幅を、世界で初めて提案しました［5］。励起光がエルビウムの電子にエネルギーを与えて高い状態へ押し上げ、その電子が誘導放出で出すエネルギーを、1.55マイクロメートルの通信光が受け取って増幅されます［5］。当時の実験では、利得12.5dB（約18倍）でした。これは当時の実験値で、いまの海底の装置の値ではありません。

萩本和男らは、約10センチ四方の小型の増幅器を使い、毎秒1.8ギガビットの信号を212キロ運ぶ実験に成功し、光増幅器が実用になると世界で初めて示しました［5］。開発から約5年で、世界を結ぶ幹線網にも採用されました［5］。

太平洋横断では、数十キロから100キロおきの海底の中継器に光増幅器を載せ、弱まった光を何度も増幅します［5］。資料の図には、1万キロ級の横断で100台以上の中継が示されています［2］（特定のケーブルの台数ではありません）。では、この光の道に、もっと多くの信号を通せないでしょうか。

1980年代の単一モード光通信の実用化当初は、光信号を電気信号に変換して増幅する電気増幅器が使われ、装置が大型で大電力を要した［5］。中沢正隆は、エルビウム添加ファイバーと、それを励起する1.48μmのInGaAsP半導体レーザーを用いる光増幅を、世界で初めて提案した［5］。

原理は、1.48μmの励起光がエルビウム原子の基底状態の電子を励起状態へ押し上げ、この電子が誘導放出で出すエネルギーを1.55μmの通信光が受け取って増幅される、というものだ［5］。利得は12.5dB（約18倍）、増幅できる波長幅は40nmで、これは当時の実験値であり現在の海底中継器の利得ではない。

萩本和男らは、約10cm四方のEDFAで、1.8Gbit/sの強度変調直接検波方式で212kmの無中継伝送に成功し、光増幅器の実用性を世界で初めて実証した。開発から約5年で、世界を結ぶ幹線網に採用された［5］。

太平洋横断では、数十kmから100kmおきの海底光中継器に載せた光増幅器で、損失で弱った信号を繰り返し増幅する［5］。KDDI総合研究所の資料には、約1万kmの横断で100台以上の中継が示される（一般的な図示で、特定のケーブルの台数ではない）［2］。ならば、この増幅器が複数の波長を同時に扱えることを、容量にどう生かすのか。

この そうちは、いろいろな 色の 光を、まとめて ふやせます［5］。そこで、色ちがいの 光に、べつべつの しんごうを のせて、1本の ファイバーを とおす やりかたが 広まりました。これを 波長ぶんかつ多重と いいます［6］。

たとえるなら、色ごとに 車線が ある 高速道路です。ただし 本当は、色は 目に 見えない 赤外線の 中の、ほんの 少しの ちがいです。

2005ねんに NTTは、1本の ファイバーで、1000この 色の 光を かさねて おくる じっけんに、世界で はじめて うまく いきました［6］。ただし、これは じっけんで、いまの 海の ケーブルの かずでは ありません。

太平洋を わたる ケーブルが 1ペアで おくれる はずの おおきさは、20ねんほどで 2000ばいぐらいに ふえました［2］。これは 実さいの つうしんの りょうではなく、つくりの 上の 数字です。

光増幅器は、複数の波長の光をまとめて増幅できます。この性質と、波長分割多重（WDM）が合わさって、1990年代半ばから光通信の大容量化が進みました［5］。WDMは、送信側でチャネルごとに別の波長の光に信号を乗せて重ね、受信側で波長ごとに分けて受け取る方式です［6］。

NTTは2005年、1本の光ファイバーに1000波長を重ねて送る実験に世界で初めて成功しました（京都のけいはんなと大阪の堂島の間を往復する126キロ）［6］。これは実験の波数で、今の海底ケーブルの波数ではありません。

日本と米国を結ぶFASTER（2016年に運用開始、総延長約9000キロ）は、ファイバー6ペア、1ペアあたり100Gb/sの信号を100波長重ね、合計で約60Tb/sの設計容量です（1ペアは10Tb/s）。太平洋横断ケーブルの1ペアあたりの設計容量は、約20年（TPC-5からFASTERまで）で約2000倍になったと説明されています［2］。実際の通信量ではなく、設計上の数字です。

ところで、色を重ねるほど、気になることがあります。光の色によって、速さは少しちがわないのでしょうか。

EDFAは複数波長を一括増幅できる。この特質が、波長分割多重（WDM）と相まって、1990年代半ばから光通信の大容量化を牽引した［5］。WDMは、送信側でチャネルごとに異なる波長の光に信号を乗せて多重し、受信側で波長ごとに分けて受信して、複数チャネルを1本のファイバーで送る方式である［6］。

NTTは2005年に、1本のファイバーへ1000波長を多重する伝送実験に世界で初めて成功した（けいはんな〜堂島の往復126km、波長間隔6.25GHz）［6］。これは実験の波数で、今の海底ケーブルの波数ではない。

FASTER（2016年運用開始、総延長約9000km）は、総容量60Tb/s、1ファイバーペア10Tb/s（6ペア×100Gb/s×100ch）で、太平洋横断ケーブルの1ペアあたりの設計容量は、約20年（TPC-5からFASTER）で約2000倍になった［2］。設計容量であり実際の通信量ではなく、2000倍は資料の概算である。

波長を増やすほど、光の色ごとの速さのちがいが気になる。次はその到着時間のずれを見る。

色の ちがう 光(波長の ちがう 光)は、ファイバーの 中を すすむうちに、とどく 時間が すこし ずれます。かけっこで、よーい どんで 走っても、足の はやさが ちがう 人は、ゴールの 時間が ずれますね。ずれると、しんごうは ゆがみます［2］。ただし 光は、足ではなく、ガラスの 中の ふしぎな ちがいで ずれます。

むかしは、ずれを 反対の ちからを もつ ファイバーで もどす くふうを、100回 いじょうも くりかえしました。FASTERでは、そのずれを コンピューターの けいさんで なおします［2］。

もうひとつ。光を つけたり 消したり するだけでなく、光の ふるえかたも つかうと、1回の 光で、2ビットや 3ビットを おくれる ように なりました［2］。

光ファイバーを進むとき、波長の長い光と短い光では到着時間に差が出て、信号がずれて歪みます（波長分散）［2］。

従来の海底ケーブルでは、歪みを逆の性質のファイバーで戻す工夫を、太平洋横断までに100回以上くり返していました。FASTERでは、デジタル信号処理、つまり計算でずれを補正するため、その分散補償ファイバーが不要になったと説明されています［2］。

もうひとつの工夫が多値変調です。光の点滅だけでなく、光の波の位置（位相）や、位置と明るさの組み合わせで、1度に2ビット、3ビット、6ビットを送ります。同じ資料の例では、強度変調で10Gb/s×40波＝0.4Tb/sだったものが、QPSK（40Gb/s×80波）で3.2Tb/sと、8倍になりました［2］。

ファイバー中では、波長の長い光と短い光で到着時間に差が生じ、信号が歪む（波長分散）［2］。従来の海底ケーブルは、歪みを逆の分散特性のファイバーで戻す補償を、太平洋横断で100回以上くり返した。FASTERではデジタル信号処理でずれを補正するため、分散補償ファイバーが不要になった［2］。

多値変調は、光の強度の点滅だけでなく位相や強度の組み合わせで、1シンボルあたり2・3・6ビットを送る（QPSK、8/16QAM、64QAM）。強度変調10Gb/s×40ch＝0.4Tb/sに対し、QPSK 40Gb/s×80ch＝3.2Tb/s（8倍）という例が示されている［2］。

単一モードファイバーの物理限界とされる100Tbit級を超え、実験ではペタビット級の伝送も可能になっており、マルチコアなどの研究が続く［5］。

電たくを つかいます。むかしの ファイバーは、1キロで 光が 100分の1でした。2キロで、100分の1の、さらに 100分の1。つまり 1万分の1です。100分の1を 3回 かけると、いくつでしょう。

こたえは、100万分の1です。いまの ファイバーなら、これと 同じ 弱まりかたに なるのは、300キロ すすんだ ときです。どちらも、dBからの けいさんで、実さいの きょりでは ありません。

安全の ため、おうちの 光回線の ケーブルの 先を、のぞきこんだり、曲げたり しないでください。

電卓を使ってみましょう。1970年代のファイバーは1キロで100分の1でした。2キロ進めば100分の1のさらに100分の1で1万分の1、3キロなら100万分の1です。

いまの約0.2dB/kmでは、300キロ進むと60dBの損失になり、これも100万分の1です。どちらもdBからの換算値です。ほかの距離でも、20dBが100分の1、40dBが1万分の1、と並べていくと、数字の大きさが実感できます。

安全のため、家庭の光回線のケーブルの先を、のぞきこんだり、無理に曲げたりしないでください。資料を読むなら、NTTのニュースリリース［6］と、Japan Prizeの授賞業績の解説［5］が、日本語で読めます。

検算してみよう。20dB/kmなら、3km進むと60dBで、強さは100万分の1（10の−6乗）。0.2dB/kmなら、同じ60dBは300kmに当たる。ここで使った換算は、dBが強さの比の対数である、という前提による。安全のため、家庭の光回線の先端をのぞきこまないこと。

資料を読むなら、中継と光増幅の経緯はJapan Prizeの授賞業績の解説［5］、海底ケーブルの容量や補償の数字はKDDI総合研究所の資料［2］、波長多重の実験はNTTのニュースリリース［6］が日本語で読める。KDDI総合研究所の資料は2018年のもので、その後の容量の数字は含まない。