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光ファイバー通信入門 コミュニケーション工学B 山田 博仁

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1 光ファイバー通信入門 コミュニケーション工学B 山田 博仁
Communication Systems Engineering B 2011年 1/24, 1/31, 2/7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  http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe

2 1/24、1/31、2/7 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
1/24、1/31、2/7 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   伊藤弘昌 編著、フォトニクス基礎、朝倉書店 5. 質問等 

3 インターネット利用者数及び人口普及率の動向
出展: 総務省 平成22年版 情報通信白書

4 国内におけるブロードバンド契約者数の推移
出展: 総務省 平成22年版 情報通信白書 それに代わってFTTHが急激に伸びている ADSLはH18年度から減少に転じた ブロードバンド契約者数の推移 DSLとFTTHの契約純増数の推移

5 ICT 総合進展度、分野及び指標別のランキング
出展: 総務省 平成22年版 情報通信白書 我が国のICT総合進展度は25か国中第2位、内訳は、基盤(整備)が第1位、基盤(普及)が第8位、利活用が第16位

6 ICT先進5か国の分野別及び指標別比較 日本以外の4か国は全体的にバランスがとれている。
出展: 総務省 平成22年版 情報通信白書 日本以外の4か国は全体的にバランスがとれている。 韓国、スウェーデンは利活用関連、デンマークは基盤(普及)関連、我が国は基盤(整備)関連の指標でそれぞれ第1位を獲得している。 言い換えると、日本は世界一進んだICTインフラを整備しているものの、それがあまり利用されていない。

7 ネットワーク上を飛び交うデータ量の増加 国内の全インターネット トラフィックは平均で約1Tbps 最近では約2年半から3年で倍増傾向
1台のネットワーク基幹ノードが処理しているデータ量の推移 最近では約2年半から3年で倍増傾向 2倍/2.5~3年 2倍/年 データ量 (Gbit/s) 月/日/年

8 昨日 1/23(日)のIPトラフィックの変化

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

10 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): フレッツ光(NTT), auひかり(KDDI)などがサービスを 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

11 光Universal Bus Interface “Light Peak”
Light PeakはIntelが提唱する新ユニバーサル バスインターフェースの規格 光ファイバーにより10G双方向通信を実現、5年以内に100Gへ VICSELとPIN PDをチップ実装 Light Peakの光送受信チップ 出典: Intel社White Paper

12 USB3.0 vs Light Peak USB3.0 Light Peak (Intel) USB1.1やUSB2.0
次世代ユニバーサル シリアルバス規格の比較 USB3.0 Light Peak (Intel) 伝送媒体 シールド銅線 光ファイバ ケーブル径 ϕ6mm ϕ125μm(4本) 最大データ転送速度 5Gbps, 全二重 10Gbps , 全二重 伝送距離 3m 100m 電力伝送 5V, 900mA 不可 後方互換性 USB1.1やUSB2.0 なし 出荷開始時期 2009年に市場投入済 2011年? or 2012年? * USB機器の現在の出荷台数:年間約30億台

13 適用分野が広がりつつある光通信 サーバーの筺体間データ通信は、今や電気から光へ Active optical cable
(光トランシーバー) サーバーのBackplane

14 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

15 波動を用いる各種通信方式 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 ?

16 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)

17 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

18 レンズの開口数 (Numerical Aperture: NA)
レンズ焦点でのビームスポット径 レーザー光は、波長程度のビームスポット径にまで絞ることができる レンズの開口数 (Numerical Aperture: NA) qf 2w0 2wf θf < θ 波面 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

19 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 発振器 変調
復調 電線 同軸ケーブル 情報の送り手 情報の受け手

20 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

21 電磁波の波長 光ファイバー通信には、波長 1μm前後の近赤外域を使用 可視光域

22 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、数十Tbps(Tbpsは1012bit/secのこと)以上の    高速伝送が可能。最近、69.1Tbps, 240km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 171Gbpsの信号を432波長多重

23 光ファイバー通信の歴史 Charles K. Kao 年 代 人または機関 事 項 1930年代 Lamb(独)、関(日本)
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 1955年 光メーザーの着想 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 1966年 Kao, Hockham(英) 低損失シリカ光ファイバーの可能性示唆 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

24 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

25 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http://www.sei.co.jp/news/press/02/prs221_s.html

26 光ファイバーの構造 ナイロン繊維で被覆 1本 石英ガラス or プラスチック シリコン樹脂で被覆 コア クラッド 光ファイバー素線
光ファイバー芯線 3000心光ケーブル コア クラッド n2 n1 >n2 n1 光ファイバー 屈折率分布

27 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

28 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

29 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(約150km)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

30 インコヒーレント通信とコヒーレント通信の違い
変調周波数 > 搬送波のスペクトル線幅 変調周波数 << 搬送波のスペクトル線幅 数Hz 搬送波スペクトル 搬送波スペクトル 単一周波数による振幅変調 変調後のスペクトル 変調後のスペクトル (殆ど変化していない)

31 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。

32 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 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)

33 本日(1/24)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) (6点満点)
日本のブロードバンド インターネットサービスの品質は、世界的に見るとどのくらいのレベルにあるのか?また課題はあるのか? 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? 光ファイバー通信にはどのくらいの波長の光が使われるのか?またその理由は? 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?

34 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

35 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

36 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

37 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:

38 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

39 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)

40 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+ 光電流 電極 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)

41 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

42 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

43 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?

44 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

45 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)

46 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

47 導波路内での光伝搬 ϕ: Goos-Hänchen 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-Hänchen 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 ‥‥)

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

49 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-Hänchen 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。

50 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

51 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

52 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

53 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

54 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

55 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

56 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

57 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

58 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

59 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

60 本日(1/31)のレポート問題 以下の中から、いずれか2つを選んで述べよ。1問について、A4レポート用紙1枚程度を目安とする。 (7点満点)
レーザの原理について述べよ。また、半導体レーザが光通信用の光源として特に優れている点について述べよ。 光ファイバーの中を光が伝搬するメカニズムについて述べよ。特に、導波モードとは何かについては詳しく記述せよ。 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。特に、分散が生じるメカニズムについては詳しく記述せよ。 提出期限: 2/7(月)の講義開始前

61 各種光伝送方式 強度変調-直接検波 (Intensity Modulation - Direct Detection: IM-DD)方式
初期の光通信から用いられている方式で、現在でも最も広く用いられている方式であるが、光のコヒーレンス性はあまり利用していない。従って、低ビットレートであれば発光ダイオード(LED)などを光源に用いることもあり、赤外線リモコンなどの伝送方式がこれにあたる。 コヒーレント光伝送方式 光のコヒーレンスをより積極的に利用する先進的光伝送方式。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方式に比べて受信感度が改善されたり、周波数利用効率に優れたり、多くのメリットがあり、今後、主流になっていくものと思われる。光源としては特に位相雑音の少ない(スペクトル線幅の狭い)レーザー光が求められる。 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

62 強度変調-直接検波光通信方式 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 変調信号 (電気) LD PD 光ファイバー 検波出力信号(電気) PDによる直接検波 LDのI-L特性 光出力 光信号 電流 変調信号(電気) LDの強度変調

63 光ヘテロダイン検波 コヒーレント光伝送方式では、光ヘテロダイン/ホモダイン検波などの光検波方式が用いられる 合波器(BS) 受光器(PD)
IFアンプ/ フィルター ベースバンド 復調器 信号光 fS fIF=fS-fLO 局部発振光 fLO LD 周波数弁別器 光ヘテロダイン検波回路のブロック図 信号光は局部発振光と混合(合波)されて共に受光器に入る 通常、LDの発振波長(周波数)は揺らいでいるため、LDからの局部発振光と信号光との周波数差(中間周波数)をモニターし、局部発振LDの駆動電流にフィードバックをかけることにより、局部発振光LDの発振波長を信号光にロックする光PLLなどの手法が用いられる

64 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

65 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 1 I Q QPSK 11 01 00 10 I Q 8PSK 000 001 010 011 101 100 110 111 QPSK : quadrature phase-shift keying DPSK : differential phase-shift keying QAM : quadrature amplitude modulation I Q I Q 4QAM (QPSK) 16QAM

66 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

67 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。

68 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

69 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

70 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

71 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

72 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)

73 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

74 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

75 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

76 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)

77 ノードの処理速度がボトルネック ノード 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード (ルータ) ノード 料金所 渋滞 高速道路
リンク容量: 10Tbps (40Gbps × 256波 WDM) ノード処理速度: 100Gbps

78 フォトニックノードによるボトルネック解消
光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード (ルータ) ノード ETCシステム 高速道路 リンク容量: 10Tbps (40Gbps × 256波 WDM) ノード処理速度: 100Tbps

79 適用分野が広がりつつある光通信 光通信は今後、より近距離での通信にも浸透していくことであろう Light Peak
出典: C. Gunn, “CMOS Photonics™ Technology Enabling Optical Interconnects” Luxtera, Inc.

80 ムーアの法則 半導体素子に集積されるトランジスタの数は、18ヶ月で倍増するという経験則による半導体技術の進歩に関する予測
Intel社の創設者の一人であるGordon Moore氏が1965年に提唱 ムーアの法則に従うIntel MPUの進化

81 LSIの性能限界 ・ クロック周波数高速化の限界 - バッファ導入による回路複雑化、 消費電力増大 - クロック高速化によるノイズ問題顕在化
 - バッファ導入による回路複雑化、                消費電力増大  - クロック高速化によるノイズ問題顕在化 マルチコア化の流れ ・ コア間、プロセッサ-メモリ間データ伝送  の高速化限界、多層配線の限界 電気配線の限界 LSIチップの断面 (出展: 米Intel社) 130nm 6層銅配線

82 LSIチップ内光配線 ・ 光配線による高速データ通信 ・ 消費電力の低減 ・ 電磁ノイズの低減 グローバル電気配線層 ローカル配線層 Tr層
光配線層 電気配線 電気配線 光配線 電気配線によるLSIチップ 光配線によるLSIチップ

83 光集積回路(光IC) 様々な光デバイスを小型化し、集積化することにより、本格的な光集積回路の実現を目指す 光集積回路(光IC) 光スイッチ
Photonic Network Photonic node 光集積回路(光IC) 光スイッチ Si光導波路 光合分波器 通信用光デバイス 次世代フォトニック ネットワーク フォトニック結晶

84 電子集積回路と光集積回路の集積度の比較 電子集積回路 ? の法則 光集積回路 ムーアの法則 (×2/1.5年) 109 Core2Duo
Pentium4 Tr数:4200万個 108 電子集積回路 107 ムーアの法則 (×2/1.5年) Pentium Tr数:310万個 集積化光素子数 Siベース 光集積回路? 106 Intel286 Tr数:13.4万個 16 ch R-OADM (AWG×4, TO-SW×64) 87mm 74mm 105 104 ? の法則 K. Okamoto et al., Electron. Lett (1996) Intel4004 Tr数:2300個 103 シリカベースPLC 光集積回路 102 現在 1970 1980 1990 2000 2010 2020 84

85 本日(2/7)のレポート問題 以下の中から、いずれか2つを選んで述べよ。1問について、A4レポート用紙1枚程度を目安とする。(7点満点)
光ファイバーの伝送帯域は何によって決まるのか?また、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。 提出期限: 2/10(木)


Download ppt "光ファイバー通信入門 コミュニケーション工学B 山田 博仁"

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