【図解コラム】通信における「電波」と「光」の違いは？ それぞれの長所と短所
民間企業による人工衛星の打ち上げが急増し、これから10、20年で市場が爆発的に広がると期待されている宇宙産業。現在、人工衛星の通信には主に「電波」が使われていますが、近い将来「光」も多くの通信で用いられるようになると、さらなる高速・大容量・低遅延の通信が実現すると言われています。
私たちは普段、音声や画像、映像などさまざまなデータをスマホやPCで送り合っていますが、この通信にも電波や光が使われています。光回線、光ファイバーといった単語には聞き馴染みがあっても、なぜ光のほうがデータを多く送れるのか、またデータ量が少ない電波がなぜ今も多くの場面で用いられているのか、知らない方がほとんどではないでしょうか。
電波通信と光通信にはそれぞれどんなメリット・デメリットがあるのか。図解を用いてわかりやすく紹介していきます。
そもそも電波と光は同じ仲間
まず知っておきたいのは、電波と光は「電磁波」の一種で、同じ仲間であるということです。
電流や磁気の方向や強さが変化すると、電界と磁界が互いに影響しあって、遠くに波のように伝わっていく現象が発生します。この波（波動）のことを電磁波といいます。
この電磁波の大きさは「波長」「周波数」「振れ幅」で示されます。
周波数とは1秒間のなかに繰り返される波の数のこと。単位はHz（ヘルツ）で示し、1秒間に1回の波（山と谷が1セット）が発生する場合は1Hz、3回の波が発生すると3Hzとなります。
波長とは波が1回振動したときの距離です。周波数が高ければ高いほど、1秒間で発生する波の数は多いので、波長は短くなります。逆に周波数が低いほど波長は長くなる、という関係性があります。
そして、電磁波は周波数に応じて異なる伝わり方を見せ、周波数が3THz以下の電磁波は電波と呼ぶよう日本の電波法で定義されているのです。
3THz以上の電磁波は光に区分されているのですが、光は周波数ではなく波長で表すのが一般的で、周波数3THz＝波長0.1mmより短い電磁波が光とされています。
ざっくりと、電磁波の中でも周波数が低くて波長が長いのが電波、周波数が高くて波長が短いのが光、と覚えておいてください。
電波と光の性質と、周波数に応じた活用分野
電磁波は主に、次の4つの性質を持っています。
これらの性質に加え、電波や光は「周波数が高い（1秒間における波の数が多い）ほど波長が短くなる」「周波数が低いほど波長が長くなる」ので、周波数に応じて次の特徴を見せます。
①電波や光は、周波数が低いほど遠くまで届きやすくなる
・波長が長くなるため、超えて直進できる障害物も多くなる
・大気の水分などに吸収・散乱されにくく、地球の丸みに沿って屈折しながら、より遠くへ伝わる
・回折波も多いため、障害物の陰にも伝わりやすくなる
②電波や光は、周波数が高いほど送れる情報量が大きくなる
このように電磁波は、周波数が低いと「遠くまで幅広く伝わるけど、扱える情報量に限りがある」、周波数が高いと「扱える情報は多いけど、遠くまで伝えづらい」というメリット・デメリットを持ちます。また、限られた空間で似た波長の（周波数の近い）電磁波が多く飛び交うと、干渉が起きやすくなります。
そのため、私たちの生活では電磁波が周波数に応じてあらゆるシーンで使い分けられているほか、特に干渉が起きやすい電波の場合（3GHz以下）、下記のように国の法律（電波法）で用途がしっかり定められているのです。
電波通信と光通信、メリットとデメリット
先ほどの話をざっくりまとめると、電波は遠くまで伝わりやすいけど、送れる情報量は少ない（限界がある）。光は大気中の水分や塵（ちり）にぶつかって遠方まで届きにくくなるけど、送れる情報量は多い、ということになります。
いくら赤外線や可視光といった光が多くの情報量を伝えられるとしても、雲や建物に遮られると届かなくなってしまいます。
ある程度障害物を超えたり回り込んだりしながら遠くへ情報を伝えるためにも、先ほどの図の通り、ラジオなら中波や超短波、テレビや携帯電話なら極超短波、5Gならマイクロ波といったように、送りたい情報量、届けたい範囲に応じて、適した周波数帯の電波が用いられているのです。
一方、障害物にぶつからずに光で大量の情報を送るために開発されたのが、光ファイバーです。
1本1本が2層のガラスによる管のような構造になっており、
レーザー光を閉じ込め送ることができる
髪の毛ほど細い石英ガラスの繊維（ファイバー）の中に光を閉じ込めて、外へ漏らすことなくどこまでも伝えられる技術です。これを束ねたケーブルを海底や地上に張り巡らせ、半導体レーザーによって超高速の光の点滅を安定して届けることで、大量の情報を高速で送り合えるようになりました。
電波のマイクロ波の通信速度は最大400Mbpsでしたが、光ファイバーだと1Gbps以上、数十Gbpsもの高速伝達が可能となっています。
これらの内容を踏まえると、電波通信と光通信、それぞれのメリット・デメリットは以下のようになります。
今後の通信でカギを握るのは、光の無線通信です。
いま地上では光ファイバーという伝送路を必要としていますが、長距離であっても情報を光で無線で送れるようになったら、さらなる高速・大容量通信の時代が訪れると言われています。
光ファイバーが敷設されてない地域に情報を高速で届けられるだけでなく、飛行機、ドローンなど移動する機体に高速大容量なバックホール通信が提供され、新たな通信サービスが生まれたり、既存サービスも大幅に能力が向上するでしょう。
そして人工衛星と地上、人工衛星同士の間も光で通信できるようになれば、インターネットが普及したときと同じようなインフラ革命や市場の拡大が起きると予想されています。実現には技術的な課題がまだまだ残っていますが、各国々で研究開発が進められており、光衛星通信は2030年代までに実現するだろう、と専門家も予測しています。光衛星通信の可能性については、こちらのインタビュー記事をご覧ください。
企画・制作：IISEソートリーダーシップ「宇宙」担当チーム
文：黒木 貴啓（ノオト） 編集：ノオト 図版：藤田倫央
参考文献
・井上伸雄(2018).『「電波と光」のことが一冊でまるごとわかる』. ベレ出版
・著：堀越智,三谷友彦,樫村京一郎(2021).『光・電波・電磁波の基本と応用がよくわかる本』. オーム社
・一般社団法人電波産業会・電磁環境委員会“「電波」と「電磁波」のちがい”.くらしの中の電波