光ファイバー通信入門

通信システム工学

Communication Systems Engineering B B

山田 博仁

光ファイバー通信入門

通信コース 6 セメ開講

1/15

、

回分の講義

1. 講義の目的 : 光ファイバー通信システムの基礎を習得する

内容

2. 達成目標 : 以下について簡単に述べられるようになること 　　・ 光ファイバー通信システムのしくみ、特徴、応用

　　・ 光通信の要素デバイスの役割、構造、動作原理 　　・ 光導波路 ( 光ファイバー ) の中を光が伝わるしくみ 3. 講義内容

　 1 日目

　　光ファイバー通信とは。その歴史。現代の通信技術の中での位 置付け　　光通信の要素デバイス ( 光ファイバー、 LD 、 PD 、光増幅器な ど )

　 2 日目

　　光伝送路 ( 光ファイバー ) 中での光伝搬。モードの概念 　　光伝送方式 ( 分散管理、中継技術、多重化技術 )

4. 成績評価

　　出席　 5 点 ×2 回、レポート　 10 点 5. 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

1. 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短時間に送れるか ? それは何故 ? 2. 光通信には何故レーザが必要 ? 　白熱電球や LED ではダメ

?

3. 現在の電気通信における伝送方式と、光通信における伝送 方式の根本的な違いは何 ?

4. 光ファイバー通信における信号多重化の特徴は ?

5. 光 3R とは何か ? 　その内で光増幅器ではできないものは何

?

質　 問

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 搬送媒体を送る 搬送媒体から情報を取り出す 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

通信の分 類

有線

無線

情報搬送媒体 (carrier)

重力波

電波 ( 電磁波 ) 音波

音波

電流 ( 電磁波 ) 光 ( 電磁波 )

光 ( 電磁波 ) 機械振動

光ファイバー通信

電話、インターフォン 糸電話

伝令管

会話

携帯電話

光通信

重力波通信

衛星間光通信 腕木通信

狼煙 手旗信号

アマチュア無線航空・船舶無線 デジタル AV 機器 FTTH

海底光ケーブル

衛星通信 導波機構の有無

( 導波機構無、

自由空間伝搬 )

用途

( 導波機構有 )

通信方式

船内、潜水艦内通信

電気通信

無線通信

腕木通信塔

テレパシー

?

教材

衛星間光通信

Ex.) 波長 1m の光を、直径 1m のビームにして月に送った場合、

　　 月面でのビームスポットサイズはどのくらいになるか ? 　　 ただし、月までの距離は約 38 万 km 答　直径約 120m

ガウスビーム波の広がり角  ^rad

w₀ 2

  

 2w₀

2

: 光の波長

) / exp(

) 0 ( )

(r I r² w₀²

I  

ガウスビーム波

r 強度分布

w₀: ビームウエストサイズ

レンズ焦点でのビーム 径

f a

レンズの開口数 (Numerical Aperture: NA)

 sin n NA 

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

f

f n

w  

 sin 2  2

n



_f 2w₀

2w_f

_f < 

Ex.) 波長 1m の光を、 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 1.3m

出展: http://premium.nikkeibp.co.jp/ftth/part2/top_f.html

身近になった光ファイバー 通信

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

光回線終端装置 とルーター

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

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

ブロードバンド加入者数の 推移

2006 2007 2008

私の予想では、

海底光ケーブル 網

出展　 http://www.alcatel.com/submarine/refs/index.htm

電気通信のしく み

発信器 変調 復調

同軸ケーブル電線 伝送路

電気信号 搬送波に情

報を載せる 搬送波を作

る

搬送波から 情報を取り

出す 搬送波 : 情報搬送の担い手

情報の送り手 情報の受け手

光ファイバー通信の構 成

光源 レーザー LED 、電球

光検出器 復調 光変調 光ファイバー

LN 変調器 伝送路

EA 変調器 フォトダイオード (PD) APD

光信号 電気信号

電子回路 搬送波は光

情報の送り手 情報の受け手

xxxx

xxxx 電子デバイス / 回路

光デバイス

電磁波の波

光通信には、波長

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

　　　伝送が可能。ごく最近、 14Tbps, 160km の光伝送に成功 (NTT)

　　　 ( 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： 100 km 以上も可能 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、ファイバー自体からの電磁波 の放射も　　　無いので、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

光ファイバー通信の特

長

光ファイバー通信の歴

年　代 人または機関

史

1962 年 IBM, GE, MIT( 米 ) 半導体レーザの発振

ルビーレーザ , He-Ne の発振 1960 年 Maiman( 米 ), Javan( 米 )

川上 , 西澤 ( 東北大 ) Graded-index 型光ファイバーの発明 1955 年 Townes( 米 ), Schawlow ( 米 ), 光メーザーの着想

Basov( ソ ) ら

1976 ～ 79 年

1970 年 林 , Panish ら ( 米 ) AlGaAs 半導体レーザ室温連続発振

電電公社 , 藤倉電線 ( 日 ) 1968 年

シリカ光ファイバー伝送損失が 0.2dB/km に

光ファイバー増幅器の発明と実用化 1980 年代 東工大 末松研究室他 半導体レーザの高性能化

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 1930 年代 Lamb( 独 ) 、関 ( 日本 ) 石英ファイバー ( ロッド ) による光伝送

1970 年代 NEC, 電電公社 , 日立 , 半導体レーザの長寿命化、発振安定化

三菱 ( 日 ), Bell 研 ( 米 ), STL( 英 )

1990 年代Southampton 大 ( 英 ), NTT( 日 )

光ファイバー通信の要素デバ イス

光検出器 (PD, APD)

デバイス 役　割

半導体レーザー 光ファイバー

光合分波器

光スイッチなど

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 ための光変調も行う

伝送路として光を導く

光増幅器 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

搬送波に載っている情報 を電気信号として取り出 す

光信号を分配したり、光の 経路を切り換える

イメージ

光ファイバ ー

住友電工http://www.sei.co.jp/news/press/02/prs221_s.html

光ファイバーの伝送損失

通信用シリカ光ファイバー

　伝搬損失 < 0.2dB/km 　 @=1.55 m

光ファイバー低損失化の歴史

レーザーとコヒーレン

光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必要

ト光

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

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

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 コヒーレント光

t 光

の電 界

f 又は 

光の 強 度

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 

光 の強 度

何故コヒーレント光が必 要か

インコヒーレントな電磁波を用いた初期の通信

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: http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/intercomp/wireless/transatrananticexp.htm

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

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: http://blog.zaq.ne.jp/rootakashi/article/163/

電磁ノイズによる通信

コヒーレントな電磁波を用いる利点

スペクトル純度が高い ( 単一周波数 ) ので、受信側で周波数同調 ( 選択 ) や増幅を行うことにより、微弱な電波でも受信できる。 ( 長距離伝送が可 能 )

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 ) 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 光の強弱や位相を変調することができる。 ( 送れる情報量が多い )

スペクトル純度が高い ( 単一周波数 ) ので、アンテナなどを用いて、特定 の方向にのみ強く信号を送れる。つまり、伝送の指向性が高い。 ( 長距離 伝送が可能 )

何故コヒーレント光が必 要か

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 レントな光を用いる方が望ましい。

レーザ ー

レーザとは、光の発振器

光増幅媒体 光の正帰還回路

鏡 レーザー 光増幅媒体とは何か ?

Amp.

電気の発振器 正帰還回路 +

二準位系 ( 原子など ) E₁

E₂

電子など

光の吸収 誘導放出 自然放出

減衰 増幅

入射光 出射光 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

熱平衡状態

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 正味では減衰

吸収

誘導放出

吸収 吸収

n₂: 励起状態の原子数

n₁: 基底状態の原子数 E₁

E₂

Maxwell-Boltzmann 分布

kT E

e E

P( )  ^

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

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

反転分布

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

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 正味では増幅

誘導放出 吸収

誘導放出 誘導放出

n₂: 励起状態の原子数

n₁: 基底状態の原子数 反転分布

E₁ E₂

kT E

e E

P( )  ^

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

Bn₁ I < Bn₂ I

電子

ホール p型 n型

半導体レーザ

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、

ー

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 )

出展: www.phlab.ecl.ntt.co.jp/master/04_module/002.html へき開面(鏡面)

チップの構造

半導体レーザの発振モー ド

縦多モード発振 Fabry-Perot (FP) 共振器レーザー

発振スペクトル

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

へき開面(鏡面)

FP レーザーの構造 発振波長

q L n_eff

 2



単一縦モード発振

分布帰還 (DFB) 型レーザー

出展: www.matsuoka-lab.imr.tohoku.ac.jp/purposes.html

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

発振スペクトル DFB レーザーの構造 発振波長

: 回折格子の周期 n : 実効屈折率



 2n_eff



q: モード番号　1,2 ‥‥

n_eff: 実効屈折率

光検出器

PIN フォトダイオード

アバランシェ フォトダイオード (APD)

ホール 電子

p⁺

n⁺

i 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

逆バイアス状態の半導体 pin 接合

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 )

n⁺

i p⁺

光

光電流

電極 電極

光

光増幅器

半導体光増幅器

光ファイバー増幅器

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し

ない ) ^{半導体レーザーチップ}

無反射加工

無反射加工

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

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 m 付近に光利得発 生

光合分波器

50 mm

Arrayed Waveguide Grating (AWG)

Arrayed Waveguide Grating

AWG の動作原理

₁₂ _N スラブ導波路

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 m 0.5 m

石英光導波路

この一本一本が このような光 導波路からな る

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 )

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 ?

スイッチング機構 特　徴

メカニカル (MEMS)

熱光学 (T-O) 効果

その他に、磁気光学 (M-O) 型、音響光学 (A-O) 型などもある

電気光学 (E-O) 効果 nS オーダーの高速切換え

高価

mS オーダーの遅い切換え速度 安価

mS ～ S オーダーの切換え速 度比較的安価

Port1 Port2

入力ファイバー

出力ファイバー

入力 1

入力 2 出力2 出力1

ヒーター

+

電界印加-