パラメータ
波長選択
開口数 NA
—
受光半角
—
°
臨界角 θc
—
°
出力パワー
—
mW
損失
—
dB
帯域幅×距離
—
MHz·km
主要公式
$$NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$$ $$P(L) = P_0 \cdot 10^{-\alpha L/10}$$光線追跡（全反射アニメーション）
光パワー vs 距離 / パルス形状
コア・クラッドの屈折率を変えてNAと全反射光線をアニメーション表示。減衰とパルス広がりを距離の関数でリアルタイム計算します。
光ファイバーの光受容能力を決める「開口数（Numerical Aperture: NA）」は、コアとクラッドの屈折率の差によって決まります。
$$NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$$$n_1$：コアの屈折率、$n_2$：クラッドの屈折率。NAが大きいほど、ファイバー端面に入射できる光の角度範囲が広くなります。
光がファイバー中を伝わる際の減衰（損失）を計算します。入力光パワーに対して、伝送距離と損失係数に応じて出力光パワーが決まります。
$$P(L) = P_0 \cdot 10^{-\alpha L / 10}$$$P_0$：入力光パワー、$P(L)$：距離L後の出力光パワー、$\alpha$：損失係数（単位: dB/km）、$L$：伝送距離（単位: km）。この式は、現場でリンクの伝送余裕を計算する時によく使われます。
長距離通信・海底ケーブル：損失の極めて少ないシングルモードファイバー（NAが小さい）が使用されます。シミュレーターの損失係数αを0.2 dB/km程度に設定すると、数十kmでも十分な光パワーが維持されることが確認できます。
データセンター内の高速接続：短距離だが超大容量が要求される接続では、マルチモードファイバー（NAが大きい）がよく使われます。コア径を太く、NAを大きく設定することで、コストを抑えつつ多くの光を結合できます。
車載LAN（IVN）：自動車内のネットワークでは、振動や狭小な配線空間に耐える光ファイバーが採用されています。曲げによる損失（曲げ損失）は、ここで扱う固有の損失係数αに含まれる重要な要素です。
医療用内視鏡：イメージバンドルと呼ばれる多数の極細ファイバーを束ねたものが使われます。一本一本のファイバーのNAが、画像の明るさや解像度に直接影響します。
まず、「NAが大きければ大きいほど良い」というのは短絡的です。確かにNAが大きいと光源との結合効率は上がりやすいですが、その代償として高次モードが多く励起され、モード分散が大きくなります。例えば、NA=0.3のマルチモードファイバーで1km伝送した場合、パルスの広がり（分散）はNA=0.2のファイバーに比べて顕著になり、高速通信では信号品質を劣化させます。短距離の配線では気にならなくても、距離が伸びるほどこの影響は無視できません。
次に、シミュレーター上で「損失係数α」を現実離れした値に設定しないこと。例えば、αを0 dB/kmにすると、どんなに距離を伸ばしても減衰しない「夢のファイバー」になってしまい、現実感が失われます。実用的な値の目安は、シングルモードファイバーで0.2～0.4 dB/km、マルチモードファイバーで2～4 dB/km程度です。この値をベースに、「100km伝送で信号強度がどれだけ減るか」を体感してみましょう。
最後に、「シングルモード」と「マルチモード」の違いはコア径だけではないという点。シミュレーターでコア径を変えると伝搬モード数が変わるのは確かですが、実務では使用する波長も決定的に重要です。例えば、同じコア径のファイバーでも、波長1.55μmではシングルモードで伝搬しても、波長0.85μmではマルチモードになってしまうことがあります。パラメータをいじる時は、波長、コア径、屈折率差の三者関係を常に意識してください。
このシミュレーターの根幹をなす「光の伝搬と閉じ込め」の概念は、集積光学（Integrated Photonics）やシリコンフォトニクスにそのまま応用されています。例えば、シリコンチップ上に形成された極細の光導波路は、コア（シリコン）とクラッド（二酸化シリコン）の屈折率差で光を閉じ込める、まさにマイクロな光ファイバーです。ここで学んだNAやモードの考え方は、光スイッチや変調器の設計にも直結します。
また、分散特性の理解は、光ファイバーレーザーや光パラメトリック増幅といった分野では超重要です。これらの技術では、ファイバー中で異なる波長の光がどのように広がり、相互作用するかを精密に制御する必要があります。シミュレーターでパルスの広がりを見る行為は、非線形光学効果を学ぶ第一歩と言えるでしょう。
さらに、減衰の計算式 $$P(L) = P_0 \cdot 10^{-\alpha L / 10}$$ は、無線通信の電波伝搬損失（パスロス）や、電気回路の信号減衰と数学的に類似しています。工学分野を超えて、「媒体中を伝わる信号の減衰」という普遍的な物理モデルに触れているのです。dB（デシベル）単位の取り扱いにも慣れておくと、音響工学や電子工学の分野でも応用が利きます。
まず次のステップとしておすすめなのは、「なぜ分散が発生するのか」を数式レベルで追いかけることです。シミュレーターで見えるパルスの広がりは、主に「モード分散」と「波長分散」が原因です。モード分散は異なる経路長による遅延差、波長分散は材料自体の屈折率が波長によって異なる（屈折率の波長分散）ことから生じます。後者を理解するには、セルマイヤーの分散公式のような、屈折率と波長の関係式を調べてみると良いでしょう。
数学的背景としては、マクスウェル方程式から出発して波動方程式を導き、その境界条件からモード分布を求める一連の流れを学ぶことです。最初は難しく感じるかもしれませんが、シミュレーターで視覚的に理解した「全反射」や「モード」が、どのように数式で記述されるのかを知ることで、理解が圧倒的に深まります。キーワードは「ヘルムホルツ方程式」と「境界条件」です。
最後に、このツールで基礎を固めたら、実際の光通信システム設計を学ぶのが良いでしょう。具体的には、ここで扱った「減衰」と「分散」が、システムのリンクバジェットや伝送帯域にどう影響するかを考えます。例えば、10 Gbpsの信号を80km伝送するには、許容できる分散量はどれくらいか？ その制約を満たすには、どのタイプのファイバーを選ぶべきか？ といった、より実践的な課題に挑戦してみてください。