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

講義日程

１３．光伝送路のモード １４．光ファイバ通信

シラバス記載の授業内容

１５．インターネット

１．聴覚機構と特性

,

通話品質 ２．音声生成機構とそのモデル化 ３．音声分析と符号化

４．画像情報，視覚の機構と色覚特性 ５．画像符号化と伝送品質

６．テレビジョンの映像信号方式 ７．無線通信

８．電波伝搬 ９．アンテナ

１０．移動通信と周波数割当 １１．追跡交換と制御

１２．ディジタル変調と符号分割多重通信

自己紹介

近 況

・ 茨城県守谷市の自宅に家族を残し、仙台に単身赴任

・

5

歳の息子と妻の

3

人家族

・ 息子と一緒に軽い山登りを始めた

・ 趣味

:

旅行など、特に海外

(

最近は忙しくてなかなか行 けない

)

略 歴

　

1959

年

2

月　岐阜県生まれ

　

1981

年

3

月　金沢大学工学部 電子工学科 卒業

　

1987

年

3

月　東北大学大学院 工学研究科 博士後期課程修了

　

1987

年

4

月　

NEC

研究所勤務、通信用半導体レーザ、フォトニ ック結晶、

　　　　　　　　　

Si

光導波路デバイスの研究開発に従事

　

2006

年

7

月　東北大学大学院工学研究科 教授

約束ご と

・ 講義が始まってからの入退室は原則禁止

オフィスアワー

日時

:

随時

OK

ですが、事前に電話または

E-mail

により予約のこと 場所

:

電気系

2

号館

203

号室

E-mail

による質問・相談も可

E-mail: [email protected]

、電話

(

内線

): 7101

・ 私語、携帯通話、メール送受信も厳禁

・ 携帯電話はマナーモードに

・ 居眠りするなら、他人に迷惑がかからないよう

・

3

回注意を受けたら退室してもらい、欠席扱い

10/2

、

10/16

　

2

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

　　レポート

10

点、出席

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

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

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 信号を取り

出す 搬送波

:

信号搬送の担い手

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 m

前後の近赤外域を使用

1

．広帯域

(

高速、大容量通信が可能

)

　　　シリカ光ファイバーの帯域

>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 事　　項

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 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、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、炎からの光、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_eff:

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 ルギーに対応した励起光波長より

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 Slab WG

光を波長によって分ける

(

分光器

)

コア クラッド

Si

基板

0.5 m 0.5 m

石英光導波路

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

制御は電気でやる

)

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

?

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

-