シングルモード対 マルチモードレーザー
空間的な観点から見ると、シングルモードレーザーは1つの横方向電界パターンで動作し、マルチモードレーザーは複数の横方向電界パターンで動作します。これは集束とビーム伝送に影響を与えます。ただし、それ自体ではスペクトル線幅、光出力、データリンクの到達距離は規定されません。光ファイバー通信の場合は、必要な速度、距離、接続構成を備えた送信機-光ファイバー-受信機の完全なチャネルを選択してください。
3つの意味を理解する
「シングルモード」とはどういう意味ですか?
仕様書がレーザービーム、レーザースペクトル、または光ファイバーのいずれについて言及しているのかを確認してください。これらは関連する特性ですが、それぞれ異なる質問に答えるものです。
- 横モード
- ビーム全体にわたる電界パターン。基本モードの出力は多くの場合、ほぼガウス分布となり、パワーは中心に向かって集中する。
- チェック: ビームプロファイル、M²値、発散角、および出力光学系。
- 縦モード
- レーザー共振器の共振光周波数。横方向のビームが適切に制御されている場合でも、複数の縦方向モードが共存する可能性がある。
- チェック: 位相または周波数が重要な場合のスペクトル線幅と安定性。
- ガイドファイバーモード
- 動作波長において導波路によって支持される電界パターン。シングルモードファイバーは、その規定された動作範囲内で基本空間モードを支持する。
- チェック: 光ファイバーの種類、波長範囲、および打ち上げ要件。
Opt Lasers社は、空間動作と縦方向動作を区別しています。狭いスペクトル線では円形ビームは形成されず、単一の横方向モードでは単一周波数動作は形成されません。
測定可能な要件を使用してください。「加工対象物上の小さなスポット」「干渉計における安定した位相」「正常に動作する400G接続」は、それぞれ異なる証拠を必要とします。「シングルモードレーザー」という要求では、これらの要件は未解決のままです。
レーザー光線はどのように異なるのですか?
空間的なトレードオフの主要因は、必要な領域と角度にいかにして電力を供給できるかという点です。ビーム品質を波長、出力電力、光学系と合わせて比較検討してください。
M²は伝搬を表すものであり、電力を表すものではない。
M²はビーム伝搬比です。理想的なガウスビームはM²=1ですが、それでも発散します。同じ波長とビームウエスト半径の場合、M²が大きいほど遠視野での発散が大きくなります。特定の集光角度では、M²は達成可能な最小ビームウエストを制限します。
楕円ビームは、2つの横軸方向で異なるM²値を持つ可能性があります。ビーム写真だけでは完全な測定はできません。RP Photonicsはこれらの定義と限界について説明しています。
複数のモードではワット数は定義されません
より広い面積を持つ半導体発光体は、同一デバイスファミリー内で集光性を犠牲にして出力を向上させることができる。しかし、この比較から、すべてのシングルモードレーザーが低出力であるという法則が導き出されるべきではない。
例えば、IPG社のYLS-SMの仕様では、最大2kWまでの構成においてM² < 1.1と記載されています。これは当該シリーズのメーカー仕様であり、普遍的な出力制限やOceanplayer Laserのテスト結果ではありません。
ビーム品質とスペクトル線幅は別々に扱う
M²とビームパラメータ積(BPP)は空間伝搬に関する指標です。線幅は光スペクトルを表し、位相感応測定やコヒーレントシステムにおいて重要となります。どちらも他方を置き換えるものではありません。ビーム品質レポートについては、ISO 11146-1:2021が非点収差ビームと単純非点収差ビームを対象としており、一般非点収差ビームまたは不明なビームタイプについてはパート2を参照するよう指示しています。
シングルモード光ファイバーとマルチモード光ファイバーの違いは何ですか?
マルチモードファイバー(MMF)は、複数の導波空間モードを伝送します。異なる到着時間によってデータパルスが拡散する可能性があります。シングルモードファイバー(SMF)は、モード間の遅延を回避しますが、減衰、色分散、偏波の影響によってリンクが制限される可能性があります。
グレーデッドインデックス型マルチモードファイバーは伝送時間のばらつきを低減しますが、すべての高速チャネルの到達距離を無制限にするわけではありません。光ファイバー協会の分散に関する説明では、ファイバーと光源の両方が関係する理由が説明されています。
画面が小さい場合は、横方向にスクロールしてすべての比較列をご覧ください。
| プロパティ | シングルモードファイバー | マルチモードファイバ | 実技チェック |
|---|---|---|---|
| 光学寸法 | モードフィールド径は導波路内の電界の大きさを表し、波長によって変化する。 | OM3とOM4は、公称50µmのコアを使用しています。 | 磁場直径と物理的な核直径を区別してください。 |
| 発射と結合 | 発射されたフィールドをファイバーモードに合わせましょう。 | コアサイズ、開口数、モード励起は、打ち上げに影響を与える。 | 指定された光源と完全な光インターフェースを使用してください。 |
| リーチ | 中距離および長距離の光インターフェースを多数サポートしています。 | 各データレートにおいて、定義された短距離インターフェースをサポートします。 | 設置済みの光ファイバーにおけるモジュールの正確な到達距離を確認してください。 |
| ケーブル配線 | 二重ファイバーペアまたはパラレルファイバーを使用することができます。 | 二重ファイバーまたは並列ファイバーを使用することもできます。 | ファイバーの種類だけでは、コネクタやレーン数を特定することはできません。 |
- コア径とモードフィールド径は異なる
- 一方はガラスコアの直径を測定し、もう一方はクラッド層まで広がる光フィールドの幅を表します。コアが大きいからといって、特定のトランシーバーを通してより多くの有用なデータが伝送できるとは限りません。
- 波長に特化した例
- コーニングの標準SMF-28 ULLバリアントは、1310 nmで9.2 ± 0.5 µm、1550 nmで10.5 ± 0.5 µmのモードフィールド径を記載しています。これらの値は、異なる波長における同一製品を表しており、2つのコアサイズを表しているわけではありません。参照 2025年2月号のシート、2ページ目.
イーサネットの場合、完全な光インターフェースを比較してください。
データレート、設置ルート、ファイバーグレード、接続レイアウト、ホストサポートなどを指定します。光インターフェース名は、モジュール内部のレーザーだけでなく、より詳細な情報を表します。
SR、VR、DR、FRは、特定のインターフェース指定の一部です。これらの指定範囲とレーン配置は、その文脈で理解する必要があります。シングルモードケーブルはデュプレックス動作を強制するものではなく、マルチモードケーブルはパラレル接続を強制するものではありません。
以下の例は、シスコ製品固有のものです。SMFの項目はG.652ファイバーを示しています。MPO-12はマルチファイバーコネクタの名称であり、すべての位置でアクティブ信号が伝送されるという意味ではありません。記載されている400G VR4およびDR4モジュールは4対の送受信ファイバーを使用しますが、FR4は1対のデュプレックスファイバーを使用します。
モジュール、ファイバー、到達距離、コネクタをまとめて比較するには、水平方向にスクロールしてください。
| 正確なシスコモジュール | ファイバ | リストされたリーチ | 光接続 |
|---|---|---|---|
| 100G · QSFP-100G-SR4-S | OM3 / OM4 MMF | 70 m / 100 m | MPO-12; PC/UPC |
| 100G · QSFP-100G-SR-S | OM4 MMF | 100 m | デュプレックスLC; PC/UPC |
| 100G · QSFP-100G-DR-S | G.652 SMF | 500 m | デュプレックスLC; PC/UPC |
| 100G · QSFP-100G-FR-S | G.652 SMF | 2キロ | デュプレックスLC; PC/UPC |
| 400G・QSFP-400G-VR4 | OM3 / OM4 / OM5 MMF | 50 m | MPO-12; APC |
| 400G・QSFP-400G-DR4 | G.652 SMF | 500 m | MPO-12; APC |
| 400G・QSFP-400G-FR4 | G.652 SMF | 2キロ | デュプレックスLC; UPC |
出典:Cisco 100Gデータシート、モジュール説明およびケーブル仕様書、Cisco 400G QSFP112データシート、表2~5。記載されている到達距離は、その他の指定されたチャネル条件を満たす必要があります。これらは例であり、完全な市場比較ではありません。
実例:アップグレード中の80mのケーブルルート
想定される計画事例: 80mのOM4チャネルでQSFP-100G-SR4-Sモジュールを使用する。チャネルの長さは、このモデルの100m制限内である。MMFとMPO-12も使用できるという理由で、QSFP-400G-VR4を提案する人がいる。
提案されたモデルは50mに制限されているため、このルートには適合しません。また、APCインターフェースについても別途接続レビューが必要です。旧リンクでの損失テストに合格しても、これらの要件はどちらも免除されません。
ルートをカバーする別のサポート対象インターフェースと比較し、可能であればルートを短縮するか、新しいSMFチャネルを評価してください。この例では、提案された組み合わせのうち1つを却下していますが、すべての400Gマルチモードオプションが不適切であることを示すものではありません。
送信機と受信機で一致しなければならないものは何ですか?
リンクが短くても、接続が失敗する場合があります。パッチコード、カセット、両端の設定など、接続経路全体を確認してください。
メディアと発売
チャネル全体で指定されたファイバーを一致させてください。アダプタはマルチモードトランクをシングルモードファイバーに変換することはできません。レガシー例外またはモード調整構成については、正確なインターフェイスに対する明示的なサポートを取得してください。
実験室では、異なる種類の部品間で光が結合することがあります。しかし、その現象はイーサネットチャネルが性能要件を満たしていることを示す証拠にはなりません。
接続と車線マッピング
コネクタの種類、表面仕上げ、極性、およびアクティブファイバーの位置を確認してください。UPCはウルトラ物理接触、APCはアングル物理接触を意味します。異なる表面仕上げのコネクタを組み合わせないでください。
Fluke社のAPC/UPCの例では、反射の問題が示されています。適合するコネクタシェルを使用しても、この問題は解決できません。
損失とホスト構成
チャネル全体の測定挿入損失を、選択したインターフェースの許容値と比較してください。波長、試験方法、許容反射、および受信機の制限値など、該当する項目を確認してください。
ホストの互換性と前方誤り訂正(FEC)を確認してください。記載されている400Gモジュールについては、Ciscoはホスト側でのFECを規定しています。受信光パワーだけでは、動作するリンクは確立されません。
接続する前に点検してください
端面を検査し、必要に応じて清掃した後、再度検査してください。適切な光ファイバー検査機器と、その機器の安全な取り扱い手順に従ってください。フルーク社の検査ガイドでは、検査なしで清掃するだけでは不十分な理由、および既に清掃済みの端面を再度清掃する必要がない理由について説明しています。
チャネル全体のコストと次回のアップグレードを比較する
既存の設備が短距離設計に対応している場合は、マルチモードが経済的となる可能性があります。一方、必要な距離を確保できる場合や、将来のケーブル交換の困難さを回避できる場合は、シングルモードが有利となる可能性があります。どちらの方式も、総コストが低いことを意味するものではありません。
両端の配線、パッチング、トランク、カセット、設置、テスト、ホスト要件、およびスペアパーツの価格を算出してください。移行によって稼働中の施設に影響が出る場合は、ダウンタイムも考慮に入れてください。価格の固定比率ではなく、同じ範囲の現在の見積もりを比較してください。
- インストール先のパスを記録してください。 開発されたルートを測定し、ファイバーのグレード、利用可能なファイバー数、パッチポイント、およびアクセス上の制約を特定する。
- サポートされているインターフェースを一覧表示します。 エンドポイントプラットフォーム、到達距離、ファイバー、極性、研磨状態、および許容チャネル損失の両方を確認してください。
- 次の構成をモデル化する。 想定される通信速度と接続構成を書き留めてください。将来のモジュールが現在と同じ数の光ファイバーを使用するとは限りません。
- 古いリンクを削除する前に確認してください。 ロールバックパスを削除する前に、テスト記録を保存し、新しいチャネルのホスト動作とトラフィックパフォーマンスを確認してください。
工業用レーザーの場合、ワークピース上のビームを評価する。
通信ファイバーリーチテーブルは、溶接機、洗浄機、マーキング機を選択するものではありません。重要なのは、部品に供給されるエネルギー分布です。
小さなスポットは、その機能が必要な場合に役立ちます
精密な切断、穴あけ、マーキングには、集束されたビームが適している場合があります。一方、広範囲の加熱や表面処理には、必要な照射範囲と強度分布を考慮すると、より大きなスポットサイズが適している場合があります。IPGのスポットサイズに関する解説では、この用途依存性について説明しています。
必要な機能、波長、出力電力またはパルスエネルギー、スポット解像度、および処理速度を定義します。次に、代表的な部品で結果を比較します。
提供元だけでなく、納品されたシステムも指定してください。
ビーム品質と出力がどこで測定されたのか、どの伝送ファイバーと光学系が使用されたのか、そしてそれらの条件が提案されている装置と一致するかどうかを尋ねてください。光源のラベルだけでは、最終的なマーキング、洗浄面、または溶接部を予測することはできません。
光源構造については、「ファイバーレーザーと直接ダイオードレーザーの比較」を参照してください。表面処理については、「洗浄波長とスポットサイズガイド」で、これらの選択肢がどのように相互作用するかを説明しています。
技術参考資料
- Opt Lasers:シングルモードおよびマルチモードレーザーダイオード ―横断的および縦断的な用語、および情報源ラベルの限界。
- RPフォトニクス:M²係数 (NAIST) と ISO 11146-1:2021 適用範囲 — 伝搬と測定に関する定義。
- FOA:光ファイバー — ファイバーの種類と分散。波長ごとのコーニング社の寸法は、例の横に記載されています。
- シスコの 100G (NAIST) と 400G QSFP112 データシートには、比較対象となるモジュール、コネクタ、および到達距離の制限に関する詳細な情報が記載されています。
加工する部品に必要な仕上がりに合わせて、産業用レーザーを選択してください。
溶接、洗浄、マーキングなどのプロジェクトについては、材料、部品の写真、必要な機能や仕上げ、生産目標をOceanplayer Laserにご提供ください。これらの詳細情報があれば、シングルモードかマルチモードかといったラベルだけで選ぶよりも、実際の機器を試用する際にずっと役立ちます。