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

H20

年

1/21, 1/28, 2/4

開講

http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe

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質問等は

E-mail: [email protected]

1/21 、 1/28 、 2/4 　 3 回分の講

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

義内容

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

)

　 3

日目

　　フォトニックネットワークとインターネット

4.

成績評価

　　レポート

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

?

6. FTTH

は

ADSL

と比べると何故高速

?

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

各種通信方 式

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

伝声管

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

w

₀

2

  

 2w

₀

2

:

光の波長

) / exp(

) 0 ( )

( r I r

²

w

₀²

I  

ガウスビーム波

r

強度分布

w

₀

:

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

2w

₀

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 (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

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

総務省通信白書より

FTTH

が急激に伸びている

ADSL

は

H17

年度をピー クに減少に転じた

http://www.jpix.ad.jp/en/techncal/traffic.html

IP トラフィックの 増加

Internet traffic of IXs in Japan

2

倍

/2

年

国内の全インターネット トラフィックは平均で約

500Gbps

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 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伝送帯域

>100 THz (THz = 10

¹²

Hz)

　　　

1

本の光ファイバーで、

10Tbps(Tbps

は

10

¹²

bit/sec

のこ と

)

以上の

　　　伝送が可能。最近、

14Tbps, 160km

の光伝送にも成功

(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

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

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

光ファイバーの製

母材製造（プリフォーム

) 法

出展

: Wikipedia

VAD

（

Vapor phase axial deposition:

気相軸付け）法

レーザーとコヒーレン

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 の強弱の変調や、位相までも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。

コヒーレントな電磁波の発 生法

真空管やトランジスタによる発振器 周波数

～ 数十

kHz

数十

kHz

～ 数百

kHz

クライストロン、マグネトロン

Gunn

ダイオード メーザー

各種レーザー

SOR (synchrotron orbital radiation)

低周波

長波 電磁波の呼び名

マイクロ波 ミリ波

THz

波 赤外光 可視光 紫外光

X

線 電

　 　 波

中波 短波 超短波

数百

kHz

～ 数

MHz

数

MHz

～ 数十

MHz

数百

MHz

～ 数

GHz

数十

GHz

数百

GHz

～

10

¹³

Hz

数十

MHz

～ 数百

MHz

パラメトリック発振器 量子カスケードレーザー 光

10

¹³

Hz

～

3.8×10

¹⁴

Hz

3.8×10

¹⁴

Hz

　　　　　～

8×10

¹⁴

Hz 8×10

¹⁴

Hz

～

10

¹⁸

Hz

10

¹⁸

Hz

～

コヒーレント電磁波の発生法

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

) E

₁

E

₂

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

n

₂

:

励起状態の原子数

n

₁

:

基底状態の原子数

E

₁

E

₂

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

n

₁

>n

₂

誘導放出の起きる確率

= Bn

₂

I

吸収の起きる確率

= Bn

₁

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

= An

₂

A:

アインシュタインの

A

係数

Bn

₁

I > Bn

₂

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

n

₂

:

励起状態の原子数

n

₁

:

基底状態の原子数 反転分布

E

₁

E

₂

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

)

n

₁

<n

₂

Bn

₁

I < Bn

₂

I

電子

ホール

p

型

n

型

半導体レー

半導体レーザー

(Laser Diode: LD) ザー

　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

)

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



 2 n

_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

⁺

光電流 光

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は

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（

Er

³⁺ ）などの希土類を添加

Er

³⁺ 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

-

光導波路の構 造

光ファイバー 屈折率分布

n

₂

n

₁

n

₁

>n

₂

コアクラッド

スラブ導波路 屈折率分布

n

₁

n

₂

n

₁

>n

₂

コア クラッド

光導波路が光を導くメカニ ズム

Snell

の法則

1 2 2

1

sin sin

n

 n



 n

₂

n

₁



₁



₁



₂ 入射波

屈折波 反射波

n

₁

<n

₂ の場合

全反射

全反射

全反射

n

₁

n

₂

n

₂

n

₁

>n

₂



₁



₁



₂ 入射波

屈折波 反射波

n

₂

n

₁

n

₁

>n

₂ の場合

全反射

 

 





^



1 1 2

cos n n



c

臨界角



_c

2

_max

開口数

: NA=sin(

_max

)

光が伝搬可能な入射角度の範囲

放射モード



_c

全反射 角

従って、

n

₁ と

n

₂ との差が小さい時、全反射角 _c は以下の式で与えられる コアとクラッド界面での全反射角 _c は、前スライドの臨界角より



 

 



 



 





 1 cos 1 2

sin

₂

1 2 2 2 1 2

1 2 2

n n n n

n

c

c





 

 





^



1 1 2

cos n n



c

で与えられるが、

ここで、　　　　　　　　と置いたが、は比屈折率差と呼ばれている2 1

2 2 2 1

2n n n 





] rad [ 2

2

sin

¹

  



^



c

さらに、導波路が受け入れることのできる受光角

(2

_max

)

は、

1

max

2

sin

NA     n









 2 sin

^

( sin ) 2 sin

^

2 2 2 2 

_max ¹

n

₁



_c ¹

n

₁

n

₁

また特に、 を開口数　

(Numerical Aperture)

という

導波路内での光伝 搬

n

₁

n

₂

n

₂

n

₁

>n

₂

-

-

-

-: Goos-Haenchen Shift

k

₀

n

₁



k

₀

n

₁

cos

k

₀

n

₁

sin

真空中での伝搬定数

: k

₀

=2 / 　 (:

波長

)

、媒質中では

k

₀

n

₁ コア

N an

k   

  4

_{0 1}

sin  2  2

 a

-a

N:

モード番号

(0, 1, 2 ‥‥ )

クラッドへの光の浸み出し

光の伝搬と垂直方向の伝搬定数成分

(k

₀

n

₁

sin)

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

光の伝搬方向の伝搬定数成分は、

= k

₀

n

₁

cos

光が伝搬方向に伝わる速度は、 であり、

v

_g を 群速度

(Group Velocity)

という　

(c

は光速度

)

 cos n

1

v

_g

 c

導波モードと定在

N =0 波

 =0

N =1

2

N =2



E

E

E

モード番号

N

は、横方向の強度分布における節の数を表す

入射角 度

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

。

c

N



 

] rad [ ) , 2 , 1 , 0 (

) 1 2 (

sin

0 1

 





 N N

a k

N

n

N

 



従って、モード番号

N

に対する入射角度 _N は、

N an

k sin 

_N

2 

_N

2 

4

_{0 1}

 

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 _N は、

ここで、

Goos-Haenchen Shift

の値 _N は、入射角度 _N の関数になるが、



_N が全反射角 _c よりも十分に小さい場合には、　　　　　　と近似できる

。





_N

 

従って、導波路内を伝搬可能なモード番号の最大値

N

_max が存在し、以下の 条件を満たす。

c

N 

 

max

モードの 数

従って、導波路内を伝搬可能なモード番号の最大値

N

_max は以下の式で与えられる。

) 1 ) (

2 1 (

max

 

N   V

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







 k

₀

a n

₁²

n

₂²

k

₀

an

₁

2 V

N

_max 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

導波路の分散関係







  v

g

群速度

曲線の傾きは

v

_g

/c

で 、群速度に対応 モードによって群速度の値は異なる



/c (k

₀

)

1/n

₁

1/n

₂

カットオフ領域

(

放射モード

)

N=0

N=1 N=2

N=3

単一モード条件

: V < /2

光ファイバーの種 類

単一モード モード数

多モード

屈折率分布 材　料 特 徴、用 途

コア

:

石英ガラス

クラッド

:

石英ガラス

コア

:

石英ガラス

クラッド

:

石英ガラス コア

:

プラスチック

クラッド

:

プラスチック

コア

:

石英ガラス

クラッド

:

石英ガラス

光ファイバー通信網に幅広く使 用

(

海中、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

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

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

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

コア

:

屈折率

n

₁

5

～

10 m

コア

:

屈折率

n

₁ 約

50 m

n

₂

n

₂

コア約

50 m

屈折率分布

Graded Index

型

Step Index

型

Step Index

型

光ファイバーにおける導波 モード

Step Index

型多モード光ファイバー



 k

₀

an

₁

2

V

2

1 2 2 2 1

2n n n 

 V

パラメータ



n

₁

n

₂

2a

2 2

8 V M ^ 

導波モードの数

V≦2.4

　単一モード条件

ファイバー内の基本モード

(HE

₁₁

)

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

光ファイバーの分 散

モード分散

(Mode Dispersion)

多モード光ファイバーにおける分散

伝搬モードによって群速度

v

_g 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、ビット誤りが起こる モード

1: v

_g1

v

_g1

> v

_g2

> v

_g3

モード

3: v

_g3 モード

2: v

_g2

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 1 を伝搬 してきた光パル ス モード

2

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

波長分散　

Chromatic Dispersion

偏波モード分散　

Polarization Mode Dispersion

単一モードファイバーにも存在する分散

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

光ファイバーの分 散



₁

: v

_g1



₂

: v

_g2



₃

: v

_g3

v

_g1

< v

_g2

< v

_g3

波長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 入射光パルスが多波長成分を有すると

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

光ファイバーの波長分 散

単一モード光ファイバー

(SMF)

の波長分散

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

光ファイバーの伝搬損失と分散特性

様々な分散特性を有する光ファイ

分散シフト光ファイバー

(Dispersion Shift Fiber: DSF) バー

逆分散光ファイバー

(Reverse Dispersion Fiber: RDF) DSF

の構造

　・単純ステップ型

　・

2

重コア／セグメントコア型

分散フラット光ファイバ

(Dispersion Flat Fiber: DFF)

ノン零分散シフト光ファイバ　

(Non-Zero Dispersion Shift Fiber: NZ-DSF)

ゼロ分散となる波長を、

1.55 m

帯にシフトさせた光ファイバー

分散補償光ファイバ

(Dispersion Compensation Fiber: DCF)

単一モードファイバー

(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

単一モードファイバー

(SMF)

と全く逆の分散特性を有する

広い波長域に渡り分散をフラットにしたファイバー

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

偏波保持

(

保存

)

光ファイバー

その他の光ファイ バー

プラスチック光ファイバー

(POF)

PANDA: (Polarization-maintaining AND Absorption reducing)

型ファイバー

HE

_11even モードと

HE

_11odd 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

HE

_11x モード

HE

_11yモード

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

^PANDA

^{型ファイバーの断面}

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 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

フォトニック結晶光ファイ

バー 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

分散補償技 術

電気的分散補償

(Electronic Dispersion Compensation)

光学的分散補償デバイス

分散補償光ファイバー （

Dispersion Compensation Fiber

）

分散補償素子

(

長さに応じて

)

大きな分散でも広帯域に補償できる。補償する分散 量は長さに応じて固定。波長分散の補償のみに有効

(

偏波分散は

×)

様々なタイプのものが有るが、比較的小さな分散を補償。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

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。

高速応答

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

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

アナログ変調方式 コヒーレント方式

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

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。今後徐々に普及する見通し

電流

光信号

LD

の光

I-L

特性

出 力

変調信号

(

電気

)

PD

による直接検波

LD

の強度変調

検波出力信号

(

電気

)

PD

光変調方 式

変調対象

振幅変調

周波数変調

位相変調

偏波変調

アナログ変調 デジタル変調 多値 二値　 (バイナリ

)

FM FSK

AM (IM)

PM

ASK (OOK)

PSK

16QAM

1 0 1 0

1 1

0 0

1 0

0

x y

0 1 0

x y

QPSK

I Q

01 11

00 10

光ファイバー通信で用いられる変調方式

I Q

QASK

I

Q

デジタル変調方 式

ASK : amplitude shift keying OOK : on-off keying

FSK : frequency shift keying PSK : phase shift keying

QAM : quadrature amplitude modulation QPSK : quadrature phase shift keying QASK : quadrature amplitude shift keying

constellation map

I Q

QASK

I Q

o t

E

_m

e t



-E

_m

0 I

Q e(t) = E

_m

sin (t + )

I Q

BPSK

I Q

QPSK

I Q

8PSK

I Q

I Q

16QAM 4QAM

(QPSK)

伝送帯 域

Loss

²

/B=

一定

Loss:

伝搬損失

(dB/m), B:

伝送帯域

(Hz)

同軸ケーブルによる伝送

出展

: http://www.hitachi-cable.co.jp

光ファイバーによる伝送

多モードファイバー　　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

単一モードファイバー　　波長分散と偏波モード分散によって制限

  n

1

BL c B:

帯域

(Hz), L:

長さ

(m) =0.005

とすると、

B=40MHz

・

km

単一モードファイバーの伝送 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 _s が広い

(FP-LD

や

LED

を使用の

)

場合

s

BL  5  10

¹³

  B:

帯域

(Hz)

、

L:

長さ

(m)

、



_s

:

光源のスペクトル幅

(nm)

例えば、 _s

=1nm

、

L=50km

の時、

B=1GHz

ii)

光源の波長スペクトル幅 _s が狭い

(DFB-LD

を使用の

)

場合

10

12

15 .

2 

 L

B B:

帯域

(Hz)

、

L:

長さ

(m)

従って、

L=100km

に対して、

B=6.8 GHz

伝送距 離

平均受信電力と誤り率

光ファイバー通信における伝送距離 ^出典著、光ファイバ通信入門、

^:

^{末松安晴、伊賀健一共} オーム社

伝送中継技

光

-

電気変換

OE/EO

による

3R (Reamplification 術

、

Reshaping

、

Retiming)

再生

光増幅器による

2R (Reamplification

、

Reshaping)

再生

OE/EO

中継器

OE/EO

中継器

OE/EO

送信機 中継器 受信機

光中継器の構成

光増幅器 光増幅器 光増幅器

送信機 受信機

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

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

3R 再生と

振幅増幅

(Reamplification)

　弱くなった信号強度を増幅して強くする

は

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

t 1

0 0

1 1

t 1

0 0

1 1

t 1

0 0

ファイバー 減衰 増幅

1 1

t 1

0 0 1 1

t 1

0 0

ファイバー 波形劣化

1 0 1 1 0

波形整形

1 1

t 1

0 0 1 1

t 1

0 0

ファイバー タイミング

1 1

修正

t 1

0 0

タイミングのズレ

信号の多重化伝 送

時分割多重　

Time Division Multiplexing (TDM)

多重化方式

周波数多重

Frequency Division Multiplexing (FDM)

波長分割多重

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

サブキャリヤ多重

Subcarrier Multiplexing (SCM)

複数の信号を

1

本の伝送路に乗せる手法

電気信号の時間

光の波長 多重化を行う領域

空間多重

Space Division Multiplexing (SDM)

空間

電気信号の周波数 電気信号の周波数

偏波分割多重

Polarization Division Multiplexing (PDM)

光の偏波

(

偏光

)

面 符号分割多重

Code Division Multiplexing (CDM)

光時分割多重　

Optical Time Division Multiplexing (OTDM)

光符号分割多重

Optical Code Division Multiplexing (OCDM)

光信号の符号 光信号の時間 電気信号の符号

電気信号の多重 化

時分割多重化

t

₁

t

₂

t

₃

周波数多重化

利用可能な周波数帯域

f

₁

一人当たりの帯域

f

₂

f

₃

f

₄

周波数 時間

t

₁

t

₂

t

₃

1

秒

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

)

多重化の方

法

電気による TDM および FDM

光源 光変調 光検出器 復調

光ファイバー

2.4 Gbps 2.4 Gbps

bps: bit per second

1Gbps

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

2.4 Gbps

時間領域または

周波数領域で多重化

Demultiplexer

Multiplexer

複数本の光ファイバーによる空間 多重

光源 光検出器

復調 光変調

1Gbps

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

光変調 光源

光源 光変調 光検出器

光検出器 復調

復調

1Gbps

64 kbps

100 Mbps

光ファイバー

波長多重光通 信

光源 光検出器

1Gbps

復調

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

光変調 光源

光源 光変調 光検出器

光検出器 復調

復調 光変調

Wavelength Multiplexer

Wavelength Demultiplexer 1

本の光ファイバー

1Gbps

64 kbps 100 Mbps λ

₁

λ

₂

λ

₃

電気通信における多重化

(

時分割多重、周波数

)

光ファイバー通信における超多重 化

1

本の同軸ケーブル 数～数十

Gbps

の高速道路

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 光ファイバー通信における多重化

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

)

光通信の展

光通信の今後は

? 望

ブロードバンド　→　光ファイバー通信　　

(10G Ether

　→　

100G Ether)

ユビキタス　→　ワイヤレス

・ インターネットの進化　

(Web 2.0 　 Google

の台頭

)

・ 通信と放送の融合

(

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

)

世の中の動向

次世代光

IP

トランスポート網

ビデオ配信 用サーバー 旧貸ビデオ屋さん

放送局

ONU

A

ＷＧ

家庭用ビデオサーバ

TV

電話

スーパーハイビジョン

TV

大学 ホーム

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