光ファイバー通信入門 通信システム工学B 山田 博仁

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1 光ファイバー通信入門 通信システム工学B 山田 博仁
Communication Systems Engineering B 2009年 2/2, 2/4, 2/5講義分 光ファイバー通信入門 山田 博仁 本講義資料のダウンロード　　

2 2/2、2/4、2/5 3回分の講義内容 1. 講義の目的: 光ファイバー通信のしくみを理解してもらう 2. 講義内容 1日目
2/2、2/4、2/5　3回分の講義内容 1. 講義の目的: 光ファイバー通信のしくみを理解してもらう 2. 講義内容 　1日目 　　・ ブロードバンド・インターネットを支える光ファイバー通信 　　・ 光通信とは?、電気通信との相違、光通信の歴史 　　・ レーザーとコヒーレント光、何故コヒーレント光が必要か? 　2日目 　　・ 光通信の要素デバイス(光ファイバー、LD、PD、光変調器、光増幅器など) 　　・ レーザーの原理、半導体レーザ(LD) 　　・ 光ファイバーにおける光伝搬、導波モード、分散 　3日目 　　・ 光伝送システム(分散管理、中継技術、信号多重化技術) 　　・ 光変調方式と光多重化方式 3. 成績評価 　　毎回の講義中での演習レポート点を合計　(20点満点) 4. 参考書 　　末松安晴、伊賀健一共著、光ファイバ通信入門、オーム社 5. 質問等　

3 出展 http://www1.alcatel-lucent.com/submarine/refs/index.htm
海底光ケーブル網 出展　

4 身近になった光ファイバー通信 AV機器のデジタル入出力ケーブル
FTTH(Fiber To The Home):　Bフレッツ(NTT), TEPCOひかり(東京電力)などがサービス 出展: 光回線終端装置(左) とルーター(右) AV機器のデジタル入出力ケーブル AV機器のデジタル入出力ケーブルとコネクタ

5 ブロードバンド加入者数の推移 国内におけるブロードバンド インターネット契約者数の推移 総務省 情報通信白書(H20年度版)より
ADSLはH17年をピークに減少に転じた それに代わってFTTHが急激に伸びている 国内におけるブロードバンド インターネット契約者数の推移

6 IPトラフィックの増加 国内の全インターネット トラフィックは平均で約500Gbps 最近は年率約20%で増加
Internet traffic of IXs in Japan

7 1日の中でのIPトラフィックの変化(平日)

8 昨日 2/1(日)のIPトラフィックの変化

9 通信とは 情報を送り手から受け手に伝えること 情報の送り手 情報の受け手 Alice Bob 情報の搬送媒体 便箋、はがき 電流、電波
手紙を書く 手紙を読む 情報を搬送媒体に載せる 搬送媒体から情報を取り出す 搬送媒体を送る 郵便システム 電話 搬送媒体 送る手段 マイクロフォン イヤフォン、スピーカ

10 各種通信方式 情報搬送媒体 (carrier) 導波機構の有無 通信方式 用途 音波 伝声管 船内、潜水艦内通信 機械振動 糸電話 教材
有線 電流(電磁波) 電気通信 電話、インターフォン 光(電磁波) 光ファイバー通信 FTTH (導波機構有) デジタルAV機器 海底光ケーブル 音波 会話 携帯電話 航空・船舶無線 電波(電磁波) 無線通信 アマチュア無線 衛星通信 無線 狼煙 腕木通信 手旗信号 光(電磁波) 光通信 衛星間光通信 (導波機構無、 自由空間伝搬) 重力波 重力波通信 腕木通信塔 テレパシー ?

11 自由空間伝搬による光通信 ビル間光通信 衛星間光通信 実験衛星「きらり」による衛星間光通信実験に成功 (H18年3月)
大学キャンパス内 レーザ光通信システム (Canon) 衛星間光通信 NICT 小金井本部の光地上局 実験衛星「きらり」による衛星間光通信実験に成功 (H18年3月)

12 衛星間光通信 ガウスビーム波 r 強度分布 w0: ビームウエストサイズ ガウスビーム波の広がり角 2w0 2Δθ λ: 光の波長
Ex.) 波長1μmのレーザー光を、直径1mのビームにして月に送った 　　　場合、月面でのビーム径はどのくらいになるか? 　　　ただし、月までの距離は約38万kmである 答　直径約 240m

13 レンズの開口数 (Numerical Aperture: NA)
レンズ焦点でのビーム径 レンズの開口数 (Numerical Aperture: NA) qf 2w0 2wf θf < θ a q f n f : 焦点距離 a : レンズの有効半径 n : 媒質の屈折率 (空気中の場合は1) 焦点でのビーム径 Ex.) 波長1μmのレーザー光を、NA=0.5のレンズの有効径を 　　　フルに活用して絞った場合、どの程度まで絞れるか? 答　直径約1.3μm

14 電気通信のしくみ 搬送波: 情報搬送の担い手 電気信号 搬送波を作る 搬送波に情報を載せる 搬送波から情報を取り出す 伝送路 発信器 変調
復調 電線 同軸ケーブル 情報の送り手 情報の受け手

15 光ファイバー通信の構成 xxxx 電気信号 光デバイス 光信号 xxxx 電子デバイス /回路 伝送路 LN変調器 EA変調器
フォトダイオード(PD) APD 搬送波は光 光源 光変調 光検出器 復調 電子回路 光ファイバー レーザー LED、電球 情報の送り手 情報の受け手

16 電磁波の波長 光通信には、波長 1μm前後の近赤外域を使用

17 光ファイバー通信の特長 1．広帯域 (高速、大容量通信が可能)
　　　シリカ光ファイバーの伝送帯域 >100 THz (THz = 1012Hz) 　　　1本の光ファイバーで、10Tbps(Tbpsは1012bit/secのこと)以上の 　　　高速伝送が可能。最近、14Tbps, 160kmの光伝送にも成功 (NTT) 　　　参考)　同軸ケーブルの帯域：最大でも10GHz程度 2．長距離伝送が可能 　　　中継間隔 　　　　同軸ケーブル：数km ～ 10km 　　　　光ファイバー：100km以上の無中継伝送も可能 3．漏話が少ない、電磁誘導の影響を受けない 　　　光ファイバーは非導電性であるため、外部からの電磁誘導ノイズ 　　　の影響を受けない。また、光ファイバー自体からの電磁波の放射も 　　　無いので、光ファイバー間の信号干渉が少ない。 4．多重化が容易 　　　光ファイバーが細く軽量のため、多芯化、長尺化が可能

18 光ファイバー通信の歴史 年 代 人または機関 事 項 1930年代 Lamb(独)、関(日本) 石英ファイバー(ロッド)による光伝送
年　代 人または機関 事　　項 1930年代 Lamb(独)、関(日本) 石英ファイバー(ロッド)による光伝送 Townes(米), Schawlow (米), Basov(ソ)ら 光メーザーの着想 1955年 1957年 渡辺, 西澤(東北大) 半導体による超短波増幅・発振のアイデア 1960年 Maiman(米), Javan(米) ルビーレーザ, He-Neの発振 1962年 IBM, GE, MIT(米) 半導体レーザの発振 1968年 川上,西澤(東北大) Graded-index型光ファイバーの発明 1970年 林, Panishら(米) AlGaAs半導体レーザ室温連続発振 NEC, 電電公社, 日立, 三菱(日), Bell研(米), STL(英) 1970年代 半導体レーザの長寿命化、発振安定化 1976～79年 電電公社, 藤倉電線(日) シリカ光ファイバー伝送損失が0.2dB/kmに 1980年代 NEC, 富士通, 日立, 東工大他 通信用半導体レーザの開発と高性能化 1990年代 Southampton大(英), NTT(日) 光ファイバー増幅器の発明と実用化

19 光ファイバー通信の要素デバイス デバイス 役 割 イメージ 光ファイバー 光信号を導く伝送路
役　割 イメージ 光ファイバー 光信号を導く伝送路 搬送波としてのコヒーレントな光を発生させる。さらに、搬送波に情報を載せるための光変調も可能 半導体レーザー 搬送波に載っている情報を電気信号として取り出す 光検出器(PD, APD) 伝送中に減衰などで弱くなった光信号を光のまま増幅する 光増幅器 光合分波器 光スイッチなど 光信号を分配したり、光の経路を切り換えたりするもの

20 光ファイバー 通信用シリカ光ファイバー 伝搬損失 < 0.2dB/km @ λ=1.55 μm 光ファイバーの伝送損失
光ファイバー低損失化の歴史 住友電工

21 光ファイバーの製法 母材製造（プリフォーム) VAD（Vapor phase axial deposition: 気相軸付け）法
出展 : Wikipedia 母材製造（プリフォーム) VAD（Vapor phase axial deposition: 気相軸付け）法

22 レーザーとコヒーレント光 光搬送波になるべく多くの情報を乗せるためには、コヒーレントな光が望ましい
コヒーレントとは、波の位相が揃った状態。高スペクトル純度、良好な収束性を有する 時間的コヒーレンス 空間的コヒーレンス インコヒーレント光 (コヒーレントでない) t 光の電界 f 又は λ 光の強度 コヒーレント光 t 光の電界 f 又は λ 光の強度 自然界に存在する光は全てインコヒーレント光 　例: 太陽光、炎から出る光、蛍の光、白熱電球、蛍光灯、LED コヒーレントな光を人工的に発生させる装置がレーザー

23 何故コヒーレント光が望ましいのか インコヒーレントな電磁波を用いた初期の通信 電磁ノイズによる通信
1887年ヘルツは誘導コイルによる火花放電式電磁波発生器を発明 1896年マルコーニ（Marconi）は、ヘルツの電磁波発生器にアンテナとアースを付けて2.5kmの無線電信に成功 出展: 1905年日本海海戦において、ロシア・バルチック艦隊の発見が「敵艦見ユ」と無線電信で通報され、日露戦争の勝利を導く糸口となった 軍艦三笠に搭載の三六式無線電信機は明治36年(1903)旧制二高の木村駿吉教授が開発。送信機は火花放電、受信機はコヒラー検波器を使ってコイル駆動で記録紙に出力するもので、80海里以上の通信到達距離を達成 出展: その後真空管が発明されて、コヒーレントで強力な電磁波が発生できるようになり、通信距離が比較的に延びることとなる

24 何故コヒーレント光が望ましいのか コヒーレントな電磁波を用いる利点
コヒーレントな電磁波はスペクトル純度が高い(つまり、単一周波数)ので、受信機において、周波数同調(選択)を行い、狭帯域の信号増幅を行うことにより、微弱な信号でも受信できる。(長距離伝送が可能) スペクトル純度が高い(単一周波数)ので、狭帯域の指向性アンテナなどを用いることができ、特定の方向にのみ強く信号を送ることができる。つまり、伝送の指向性が高い。(長距離伝送が可能) スペクトル純度が高く搬送波の位相が揃っているので、より早い速度での変調が可能。また、位相や周波数を変調することも可能となり、高い伝送レートでの信号伝送が可能。(送れる情報量が多い) スペクトル純度が高く、占有スペクトル幅が不必要に広がらないので、同一周波数帯を多くのチャンネルで共用できる。(周波数利用効率が高い) このように、コヒーレントな電磁波を用いる通信は、インコヒーレントな電磁波を用いる場合に比べて多くの利点を有している。従って、白熱電球やLEDのようなインコヒーレント光を用いるよりも、レーザのようにコヒーレント光を用いる方が望ましい。

25 コヒーレントな電磁波の発生法 電磁波の呼び名 周波数 コヒーレント電磁波の発生法 低周波 ～ 数十kHz 長波 数十kHz ～ 数百kHz
真空管やトランジスタによる発振器 中波 数百kHz ～ 数MHz 電　　波 短波 数MHz ～ 数十MHz 超短波 数十MHz ～ 数百MHz Gunnダイオード マイクロ波 数百MHz ～ 数GHz クライストロン、マグネトロン ミリ波 数十GHz メーザー THz波 数百GHz ～ 1013 Hz パラメトリック発振器 量子カスケードレーザー 赤外光 1013 Hz ～ 3.8×1014 Hz 3.8×1014 Hz 　　　　　～ 8×1014 Hz 光 可視光 各種レーザー 紫外光 8×1014 Hz ～ 1018 Hz X線 1018 Hz ～ SOR (synchrotron orbital radiation)

26 本日(2/2)のレポート問題 以下について述べよ。(本日の講義後に提出)
DSLに代わって今後ブロードバンド インターネットの主役となり得るのは何か? ネットサーフィンを快適に楽しむにはいつ(何時)がいいのか?またその理由は? 波長1μmのレーザー光を、直径1mのビームにして月に送った場合、月面でのビーム径はどのくらいになるか? 電気通信と光ファイバー通信との構成上の違いは何か? コヒーレント光とはどのような性質の光なのか?また(光)通信にはどうしてコヒーレント光が望ましいのか?

27 レーザー レーザとは、光の発振器 Amp. 電気の発振器 正帰還回路 + 光増幅媒体 光の正帰還回路 鏡 レーザー
光増幅媒体とはどのようなものか? 光の吸収 自然放出 誘導放出 減衰 増幅 入射光 出射光 発光 物質(原子系)と光との相互作用 以下の3つの課程が同時に起きている 二準位系 (原子など) E1 E2 電子など

28 熱平衡状態 E1 E2 Maxwell-Boltzmann分布 P(E) E 熱平衡状態では、励起準位の原子数は基底準位の原子数よりも少ない
k: ボルツマン定数 T: 媒質の温度 n1> n2 吸収 誘導放出 n2: 励起状態の原子数 n1: 基底状態の原子数 正味では減衰 誘導放出の起きる確率 = Bn2 I 吸収の起きる確率 = Bn1 I I: 入射光の強度 B: アインシュタインのB係数 自然放出の起きる確率 = An2 A: アインシュタインのA係数 Bn1 I > Bn2 I 熱平衡状態では、吸収の確率 > 誘導放出の確率となり、入射光は減衰して出てくる

29 反転分布 反転分布 E1 E2 P(E) E 励起準位の原子数が基底準位の原子数よりも多い状態を反転分布という Tが負(負温度状態)
n1< n2 誘導放出 吸収 n2: 励起状態の原子数 n1: 基底状態の原子数 正味では増幅 Bn1 I < Bn2 I 反転分布では、誘導放出の確率 > 吸収の確率となり、入射光は増幅されて出てくる レーザーとは、何らかの方法で反転分布を作り出し、放射の誘導放出(Stimulated emission)を用いて光を増幅する装置

30 出展: www.phlab.ecl.ntt.co.jp/master/04_module/002.html
半導体レーザー 半導体レーザー (Laser Diode: LD)　光を増幅する媒体が半導体からなり、 pn接合への電流注入により、電子の反転分布状態を作り出せる 特徴: ・ コンパクト (チップ本体は0.3mm角程度) 　　　　・ 取り扱い容易 (乾電池2本程度で動作可能) 　　　　・ 直接変調で数Gbpsの高速変調が可能 　　　　・ 高信頼性 (通信用のInGaAsPレーザは100万時間以上の寿命に) 　　　　・ 安価 (FTTH用LDはチップコストで数百円、CD用LDは数十円に) 電子 ホール p型 n型 へき開面(鏡面) チップの構造 出展:

31 Fabry-Perot (FP)共振器レーザー
半導体レーザの発振特性 へき開面(鏡面) Fabry-Perot (FP)共振器レーザー 2枚の平行に向き合った鏡によるFP型光共振器によって正帰還が得られ発振するレーザー 発振波長間隔 縦多モード発振 Δλ λ0 : 発振波長の中心値 neff : 実効屈折率 L : 素子長 l λ0 発振スペクトル FPレーザーの構造 単一縦モード発振 分布帰還(DFB)型レーザー 出展: 回折格子によるBragg反射により、光の分布帰還が得られ、 Bragg波長近傍の単一波長で発振 l 発振スペクトル DFBレーザーの構造 発振波長 Λ : 回折格子の周期 neff : 実効屈折率 回折格子

32 光変調器 半導体レーザの直接変調 光変調器 電界吸収(EA)型光変調器
電流 光出力 化合物半導体などのpn接合に逆バイアスを印加すると、印加電界によって光吸収特性が変化し、これを利用して光の強度変調を行うもの 光信号 40GbpsEA変調器(沖電気) LiNbO３ (LN)によるMZI型光変調器 LNは、電圧を印加すると屈折率が変化する電気光学(E-O)効果を有している。 LNによる光導波路によってMach-Zehnder(MZ)型 の光干渉計を構成し、屈折率変化による光の位相変化を強度変化に変換して光変調を行うもの 変調信号(電気) 半導体レーザの電流-光出力(I-L)特性 LiNbO３（ＬＮ）光変調器 (住友大阪セメント)

33 光検出器 PINフォトダイオード(PIN-PD) 逆バイアスされたpn接合に光が照射されると強度に比例した光電流が取り出せる p+ 光 光
ホール 電子 p+ n+ i n+ i p+ 光 光電流 電極 光 逆バイアス状態の半導体pin接合 アバランシェ フォトダイオード(APD) 基本的にはPINフォトダイオードと同じであるが、アバランシェ効果により、光電流を増倍するしくみを有している (高感度)

34 光増幅器 半導体光増幅器 半導体レーザーチップ 無反射加工 半導体レーザーの両端面に無反射膜を形成するなどして、光共振器をなくしたもの (光の正帰還がかからなくなるのでレーザー発振はしない) 光ファイバー増幅器 Er添加光ファイバー増幅器 コアに、エルビウム（Er3+）などの希土類を添加 Er3+の準位 光増幅器の構成 波長980nmなどの光で励起すると 波長1.54 μm付近に光増幅利得発生 ラマン増幅器 光ファイバに非常に強い励起光を入射すると、石英ガラスの分子振動エネルギーに対応して、励起光波長より100 nm程度長い波長域に光利得が得られる

35 光合分波器 光を波長によって分ける (分光器あるいは分波器)/多波長の光を束ねる(合波器)
コア クラッド Si 基板 0.5 mm Arrayed Waveguide Grating この一本一本がこのような光導波路からなる l1 l2 lN 石英光導波路 スラブ導波路 50 mm Arrayed Waveguide Grating (AWG) AWGの動作原理

36 光スイッチ 電気制御-光スイッチ (光の経路を切り換えるが、ON-OFFの制御は電気で行う) スイッチング機構 特 徴 メカニカル
特　徴 出力ファイバー メカニカル (MEMS) Port1 mSオーダーの遅い切換え速度 安価 Port2 入力ファイバー 入力1 出力1 mS～mSオーダーの切換え速度比較的安価 熱光学(T-O)効果 ヒーター 入力2 出力2 + nSオーダーの高速切換え高価 - 電気光学(E-O)効果 電界印加 その他に、磁気光学(M-O)型、音響光学(A-O)型などもある 光制御-光スイッチ　(光-光スイッチ or All光スイッチ) ON-OFF制御も光でやる 現在研究開発中　将来の全光信号処理システムに使われるかも?

37 光導波路の構造 コア クラッド n2 n1> n2 n1 光ファイバー 屈折率分布 n1> n2 n2 n1 屈折率分布 コア
スラブ導波路 屈折率分布 n1 n2 n1> n2 コア クラッド

38 光導波路が光を導くメカニズム n2 n1 φ1 j2 入射波 屈折波 反射波 n1< n2の場合 n2 n1 n1> n2の場合
φ2 入射波 屈折波 反射波 全反射 臨界角 qc Snellの法則 全反射 n1 n2 n1> n2 放射モード qc 2θmax 光が伝搬可能な入射角度の範囲 開口数: NA= sin(θmax)

39 全反射角 コアとクラッド界面での全反射角θcは、前スライドの臨界角より で与えられるが、 ここで、 と置いたが、Δは比屈折率差と呼ばれている
ここで、　　　　　　　　と置いたが、Δは比屈折率差と呼ばれている 従って、n1と n2との差が小さい時、全反射角 θcは以下の式で与えられる さらに、導波路が受け入れることのできる受光角(2θmax)は、 また特に、 を開口数 (Numerical Aperture)という

40 導波路内での光伝搬 ϕ: Goos-Haenchen Shift n2 ϕ ϕ a k0n1 n1 k0n1sinθ コア θ -a
クラッドへの光の浸み出し ϕ: Goos-Haenchen Shift n2 ϕ ϕ a k0n1 n1 k0n1sinθ コア θ -a k0n1cosθ n2 n1> n2 ϕ 真空中での伝搬定数: k0=2π / λ　(λ: 波長)、媒質中では k0n1 光の伝搬方向の伝搬定数成分 βは、 β = k0n1cosθ 光が伝搬方向に伝わる速度は、 であり、vgを群速度(Group Velocity)という　(c は光速度) 光の伝搬と垂直方向の伝搬定数成分 (k0n1sinθ)に対して、以下の式が成り立つ時、光伝搬と垂直方向に定在波ができる N: モード番号 (0, 1, 2 ‥‥)

41 導波モードと定在波 E N = 0 Δϕ = 0 E N = 1 2π E N = 2 4π

42 入射角度 光伝搬と垂直方向での定在波条件の式より、モード番号Nに対する入射角度θNは、
ここで、 Goos-Haenchen Shiftの値 ϕN は一般的には入射角度 θN の関数になるが、 θN が全反射角 θc よりも十分に小さい場合には、　　　　　　と近似できる。 従って、モード番号 N に対する入射角度 θN は、 モード番号がある値よりも大きくなると、全反射条件が満たされなくなり、伝搬できなくなる。つまり、伝搬可能なモードは、以下の条件を満たす。 従って、導波路内を伝搬可能なモード番号の最大値 Nmaxが存在し、以下の条件を満たす。

43 モードの数 導波路内を伝搬可能なモード番号の最大値 Nmaxは以下の式で与えられる。
ここで V は、Vパラメータ或いは規格化周波数と呼ばれている Nmaxよりも大きなモード番号のモードは伝搬できないので、カットオフにあると言う N=3 カットオフ領域 (放射モード) N=2 群速度 ω/c (k0) 1/n2 曲線の傾きはvg /cで 、群速度に対応 N=1 1/n1 モードによって群速度の値は異なる N=0 β 単一モード条件: V < π /2 導波路の分散関係

44 光ファイバーの種類 モード数 屈折率分布 材 料 特 徴、用 途 コア: 屈折率n1 光ファイバー通信網に幅広く使用
材　料 特 徴、用 途 コア: 屈折率n1 光ファイバー通信網に幅広く使用 (海底、幹線、メトロ、加入者系) 様々な光部品(光スイッチ、光合分波器、光増幅器など)に加工されて使用 5～10μm コア: 石英ガラス クラッド: 石英ガラス 単一モード n2 Step Index型 コア: 屈折率n1 短距離の光伝送、光インターコネクション(コンピュータ、ストレージ筐体間データ通信)、接続容易 コア: 石英ガラス クラッド: 石英ガラス 約50μm コア: プラスチック クラッド: プラスチック 接続や取り扱いが容易なので、AV機器用データ通信に利用 n2 Step Index型 多モード コア径約50μm 一部の光ファイバー通信網で使用 (接続が容易なので主にLAN用) 比較的高価 屈折率分布 コア: 石英ガラス クラッド: 石英ガラス Graded Index型

45 光ファイバーにおける導波モード n2 2a n1 Step Index型多モード光ファイバー Vパラメータ 導波モードの数
ファイバー内の基本モード(HE11)パターン 出典: 末松安晴、伊賀健一共著、光ファイバ通信入門、オーム社

46 光ファイバーの分散 多モード光ファイバーにおける分散 モード分散 (Mode Dispersion)
伝搬モードによって群速度 vg が異なる モード3: vg3 モード2: vg2 モード1: vg1 vg1 > vg2 > vg3 モード1を伝搬してきた光パルス モード2 入射光パルスは複数のモードに分配されて伝搬していく モード3 伝搬モードによって群速度が異なるため、光パルスの出射時刻が異なる 光パルスの幅が広がるため、符号間干渉が起こり、符号識別誤りが起こる

47 光ファイバーの分散 単一モード光ファイバーにも存在する分散 波長分散 Chromatic Dispersion
石英ガラスの材料分散　　母材の石英ガラスの屈折率が波長に依存 導波路の構造分散　　導波路の伝搬定数が波長に依存 l1: vg1 l2: vg2 l3: vg3 vg1 < vg2 < vg3 入射光パルスが多波長成分を有すると 波長によって群速度が異なるため、出射光パルスの時間幅が広がる 偏波モード分散　Polarization Mode Dispersion ファイバーにねじれなどがあると、直交する2つの偏波モードの縮退が解け、 2つのモード間で群速度に違いが生じるようになる

48 光ファイバーの波長分散 通常のSMFでは、波長約1.31μmにおいて、材料分散と構造分散が打ち消し合いゼロ分散となる
光ファイバーの伝搬損失と分散特性 出典: 末松安晴、伊賀健一共著、光ファイバ通信入門、オーム社 通常のSMFは、波長約1.31μmにおいてゼロ分散となるが、伝搬損失は波長1.55μm付近で最小となる

49 様々な分散特性を有する光ファイバー 分散シフト光ファイバー (Dispersion Shift Fiber: DSF)
ゼロ分散となる波長を、1.55μm帯にシフトさせた光ファイバー DSFの構造 　・単純ステップ型 　・2重コア／セグメントコア型 分散補償光ファイバー (Dispersion Compensation Fiber: DCF) 単一モード光ファイバー(SMF)の分散を補償するためのもので、SMFとは逆の符号の大きな分散を有する 逆分散光ファイバー (Reverse Dispersion Fiber: RDF) 単一モードファイバー(SMF)と全く逆の分散特性を有する 分散フラット光ファイバー (Dispersion Flat Fiber: DFF) 広い波長域に渡り分散をフラットにしたファイバー ノン零分散シフト光ファイバー (Non-Zero Dispersion Shift Fiber: NZ-DSF) WDM用途のため、分散を完全には零にせず、使用波長域で若干の分散を持たせたもの

50 その他の光ファイバー 偏波保持(保存)光ファイバー
PANDA: (polarization-maintaining and absorption reducing)型ファイバー HE11evenモードとHE11oddモードの伝搬定数差が大きく、少々の外乱では両モード間に結合が生じないため、ファイバーの固有偏波方向と一致する光を入射させるとその偏波が保存されたまま伝搬する コア断面が真円から歪んでいたり、特定方向に応力がかかると基本モードの縮退が解ける コア PANDA型ファイバーの断面 HE11xモード HE11yモード 高非線形光ファイバー 波長変換やラマン効果など、非線形光学効果を利用するための特殊な光ファイバー プラスチック光ファイバー (POF) 850nm波長帯での短距離光リンク用に開発された光ファイバーで、AV機器のデジタルデータ伝送用ケーブルとして身近になっている

51 フォトニック結晶光ファイバー 1. 高屈折率コア型 Holey Fiber 特徴： ・ 分散量を自由に設計可能
T. A. Birks et al., 12B3-1 OECC2000 1. 高屈折率コア型 Holey Fiber 特徴： ・ 分散量を自由に設計可能 ・ 高効率非線形光学効果利用可 2. 低屈折率コア型　(コアが空気) Photonic Bandgap Fiber 特徴： ・ コアが空気なので非線型効果小 ・ 超低損失材料の必要は無い

52 分散補償技術 光学的分散補償 原理: 伝送路としての光ファイバーとは逆の分散特性を有するデバイスを接続する
　　　　ことにより、伝送路である光ファイバーの分散を打ち消すもの 分散補償デバイスとしては、以下のものがある ・分散補償光ファイバー （Dispersion Compensation Fiber） 単一モード光ファイバー(SMF)とは逆符号の大きな分散を有する光ファイバーで、(長さに応じて)大きな分散でも広帯域に補償できる。補償可能分散量は光ファイバーの長さで決まり、固定。波長分散の補償のみに対して有効(偏波モード分散には効果無し) ・分散補償素子 様々なタイプのものが有るが、比較的小さな分散を補償可能。補償する分散量を可変できるものも有る。ただし、応答速度は比較的遅い 電気的分散補償 (Electronic Dispersion Compensation) 比較的小さく、時々刻々変化する分散量を電気的信号処理により補償可能。高速応答。偏波モード分散にも効果有り

53 本日(2/4)のレポート問題 以下の中から、いずれか3つを選んで述べよ。(講義後に提出のこと)
レーザと電子回路における発振器を比較するといくつかの共通点があるが、それらについて述べよ。 レーザには光を増幅する媒体が必要となるが、それら光増幅媒体は、どのようにして光増幅を実現するのか簡潔に述べよ。 光通信用の光源としての半導体レーザの特長を述べよ。 光ファイバーが光を導波するメカニズムについて述べよ。 光ファイバー伝送中に光信号波形が歪む要因について述べよ。

54 光伝送方式 強度変調-直接検波 (Intensity Modulation - Direct Detection: IM-DD)方式
現在の光通信で最も広く用いられている方式。光のコヒーレンス性はあまり利用して 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　いない LDのI-L特性 光出力 光信号 PD 電流 検波出力信号(電気) 変調信号(電気) LDの強度変調 PDによる直接検波 コヒーレント方式 光のコヒーレンスをより積極的に利用する先進的方式。光の振幅、周波数、位相などに情報を載せるASK, FSK, PSKなどがある。IM-DD方式に対して受信感度が改善される。今後、主流になっていくものと思われる アナログ変調方式 CATVによる映像のアナログ伝送や、マイクロ波の光伝送、リモートアンテナなど、 ごく限られた用途で用いられている

55 光変調方式 光ファイバー通信で用いられる変調方式 デジタル変調 変調対象 アナログ変調 二値 (バイナリ) 多値 QASK AM (IM)
ASK (OOK) 1 振幅変調 QPSK I Q 01 11 00 10 FM FSK 周波数変調 1 PM PSK I Q 位相変調 1 16QAM x y x y 1 偏波変調

56 デジタル変調方式 OOKの場合、 位相は関係無い つまり、コヒーレントでなくても良い o t Em e j -Em I Q
I Q e(t) = Em sin (wt + j) OOK : on-off keying I Q ASK : amplitude shift keying constellation map QASK I Q QASK : quadrature amplitude shift keying FSK : frequency shift keying PSK : phase shift keying I Q BPSK I Q QPSK Q QPSK : quadrature phase shift keying I 8PSK QAM : quadrature amplitude modulation I Q I Q 4QAM (QPSK) 16QAM

57 伝送帯域 同軸ケーブルによる伝送 Loss2/B = 一定 Loss: 伝搬損失(dB/m), B: 伝送帯域(Hz)
出展: Loss2/B = 一定 Loss: 伝搬損失(dB/m), B: 伝送帯域(Hz) 同軸ケーブルの場合、伝搬損失によって帯域が制限される 光ファイバーによる伝送 多モード光ファイバー　　主にモード間の群速度差によるモード分散によって制限 B: 帯域(Hz), L: 長さ(m) Δ = 0.005とすると、BL = 40MHz・km 単一モード光ファイバー　　波長分散と偏波モード分散によって制限

58 単一モード光ファイバーの伝送帯域 波長分散による帯域制限 i) 光源の波長スペクトル幅 Δλsが広い(FP-LDやLEDを使用の)場合
B: 帯域(Hz)、L: 長さ(m)、Δλs: 光源のスペクトル幅 (nm) 例えば、Δλs = 1nm、L = 50kmの時、B = 1GHz ii) 光源の波長スペクトル幅 Δλs が狭い(DFB-LDを使用の)場合 B: 帯域(Hz)、L: 長さ(m) 従って、L = 100kmに対して、B = 6.8 GHz 光ファイバーの場合、伝搬損失は通常0.2dB/kmと同軸ケーブルに比べて遥かに小さいので、分散による信号波形の歪が伝送帯域を制限している。 分散による光パルスの広がりは、多モード光ファイバーの場合はモード分散によって制限される。一方、単一モード光ファイバーでは、モード分散はないが波長分散などによって制限される。

59 光増幅器による2R (Reamplification、Reshaping)再生
伝送中継技術 光-電気変換 OE/EOによる3R (Reamplification、Reshaping、Retiming)再生 送信機 OE/EO 中継器 OE/EO 中継器 OE/EO 中継器 受信機 光中継器の構成 出典: 末松安晴、伊賀健一共著、光ファイバ通信入門、オーム社 光増幅器による2R (Reamplification、Reshaping)再生 光信号を一旦電気信号に変えることなく、光のまま増幅、等化を繰り返して中継 送信機 光増幅器 光増幅器 光増幅器 受信機

60 3R再生とは 振幅増幅 (Reamplification) 弱くなった信号強度を増幅して強くする 減衰 増幅
波形整形 (Reshaping)　分散などの影響で劣化した波形を整える タイミング再生 (Retiming)　符号のビットタイミングがズレたのを修正する 1 1 1 ファイバー 減衰 1 1 1 増幅 1 1 1 t t t 波形劣化 1 1 1 ファイバー 1 1 1 1 1 1 波形整形 t t タイミングのズレ タイミング 修正 1 1 1 ファイバー 1 1 1 1 1 1 t t t

61 信号の多重化伝送 複数の信号を1本の伝送路に乗せる手法 多重化方式 多重化を行う領域
時分割多重　Time Division Multiplexing (TDM) 電気信号の時間 周波数多重 Frequency Division Multiplexing (FDM) 電気信号の周波数 サブキャリヤ多重 Subcarrier Multiplexing (SCM) 電気信号の周波数 符号分割多重 Code Division Multiplexing (CDM) 電気信号の符号 光時分割多重　Optical Time Division Multiplexing (OTDM) 光信号の時間 波長分割多重 Wavelength Division Multiplexing (WDM) 光の波長 光符号分割多重 Optical Code Division Multiplexing (OCDM) 光信号の符号 偏波分割多重 Polarization Division Multiplexing (PDM) 光の偏波(偏光)面 空間多重 Space Division Multiplexing (SDM) 空間

62 電気信号の多重化 時分割多重化 t2 t3 t1 時間 t1 t2 t3 1秒 周波数多重化 f1 f2 f3 f4 周波数
利用可能な周波数帯域 f1 一人当たりの帯域 f2 f3 f4 周波数

63 制限速度15 mphの4車線一般道路 (波長多重、空間多重)
多重化の方法 制限速度15 mphの一般道路 (多重化無し) 制限速度60 mphの1車線高速道路 (時分割多重、周波数多重) 制限速度15 mphの4車線一般道路 (波長多重、空間多重)

64 電気によるTDMおよびFDM伝送 2.4 Gbps 光源 光変調 光検出器 復調 光ファイバー 2.4 Gbps 2.4 Gbps
時間領域または 周波数領域で多重化 bps: bit per second Multiplexer Demultiplexer 1Gbps 1Gbps 100 Mbps 100 Mbps 64 kbps 64 kbps

65 複数本の光ファイバーによる空間多重伝送 1Gbps 光源 光変調 光検出器 64 kbps 光源 光変調 光検出器 100 Mbps 光源
復調 光ファイバー 復調 復調 1Gbps 1Gbps 100 Mbps 100 Mbps 64 kbps 64 kbps

66 一本の光ファイバーによる波長多重伝送 1本の光ファイバー λ1 λ1 1Gbps 光源 光変調 光検出器 λ2 64 kbps λ2 光源
100 Mbps λ3 λ3 光源 光変調 光検出器 復調 Wavelength Multiplexer Wavelength Demultiplexer 復調 復調 1Gbps 1Gbps 100 Mbps 100 Mbps 64 kbps 64 kbps

67 光ファイバー通信における超多重化 だから光ファイバー伝送は、超ブロードバンド 電気通信における多重化 (時分割多重、周波数)
1本の同軸ケーブル 数～数十Gbpsの高速道路 だから光ファイバー伝送は、超ブロードバンド 光ファイバー通信における多重化 電気領域での多重化 (時分割多重、周波数多重)+光領域での波長多重化 1本の光ファイバー 各々が数～数十Gbpsの高速道路 波長による多重化 (数十～数百波長)

68 光ファイバー通信の今後の展望 これから起こること ・ 各家庭に光ファイバーが行き渡り、誰もがブロードバンド サービスを享受できるように
・ FTTHは 1Gbps → 10Gbpsへと進化　(Ether Netは 10Gbps → 100Gbps) ・ 通信と放送が融合し、TV番組はネットで見られるように (ビデオ･オン･デマンド) ・ デジタルコンテンツの大容量化　(スーパーハイビジョンTV、4Kデジタルシネマ) ・ パソコンからはHDDが消え、NW端末へと進化 (データ、アプリはNW上に) ・ NW上にデータバンク サービスが普及 ・ パソコン上のアプリに代わり、NW上のアプリが普及 ・ 音楽、ビデオは個人コレクションから、アーカイブセンターからのオンデマンド配信へ ・ ポケット電子辞書から、オンライン辞書 (ネット図書館)へ ・ 美人秘書から、サイバーセクレタリーへ (Spamメールの選別、電話の取次ぎ、スケ 　ジュール管理、情報提供サービス、翻訳、資料作成) ・ ユビキタス センサーによる各種モニターが個人の健康、事故、災害、犯罪を監視 そのためには、NWのさらなる広帯域化とアクセスポイントの整備が必要

69 インターネットの将来像 4Kデジタル・シネマ データは全て安全な サーバーに保管 Web2.0のサービス 超大容量光ネットワーク
映画製作会社 街中の至る所でBBネットに接続 通信と放送の融合 PCはHDDレス、CFメモリーのみに 100Mワイヤレスと10G Ether装備 PCは単なるデータ検索端末に NHKアーカイブ センター 過去の番組も オンデマンド視聴 本や音楽は、読みたい時聴きたい時にダウンロード スーパーハイビジョン どこでもTV電話

70 超大容量光ネットワークで変わる我が家の生活
サイバーモール オンラインバンク 放送局 データセンター メトロ系光ネットワーク アーカイブセンター オペレーター 光ルーター ウエブカメラ 学校 病院 スーパーハイビジョンTV ONU 加入者光ネットワーク 光分波器 高臨場感 TV電話 ルーター 電話、インターネット サイバーモール でネットショップ TV放送、映画配信 家庭用ビデオサーバー 我が家 通信と放送の融合

71 本日(2/5)のレポート問題 以下の中から、いずれか3つを選んで述べよ。(講義後に提出のこと)
光ファイバー通信における光伝送方式について述べよ。 単一モード光ファイバーと多モード光ファイバーでは、どちらがより多くの情報を送ることができるのか?その理由と併せて述べよ。 光3Rとは何か?　3Rの中で光増幅器による中継ではできないものはどれか? 光ファイバー通信における信号多重化方式について述べよ。