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

2009 年 2/2, 2/4, 2/5 講義分

本講義資料のダウンロード　　

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

2/2 、 2/4 、 2/5 　 3 回分の講

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

義内容

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　 E-mail: [email protected] 、電気系 2 号館 203 号室

海底光ケーブル 網

出展　　http://www1.alcatel-lucent.com/submarine/refs/index.htm

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

総務省 情報通信白書

推移

(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

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

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

1 日の中での IP トラフィックの変化

( 平日 )

昨日 2/1( 日 ) の IP トラフィッ

クの変化

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

自由空間伝搬による光通

ビル間光通信

信

http://www.icsa.gr.jp/system/index_03.htm

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 )

衛星間光通 信

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 ガウスビーム波の広がり角

 

^rad

w₀ 2

  

 2w₀

2Δθ λ: 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

θ_f < θ

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

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 1μm

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

　　　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

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 ための光変調も可能

光信号を導く伝送路

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 経路を切り換えたりするも の

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 　 @ λ=1.55 μm

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望ましい

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 λ

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 λ

光 の 強 度

時間的コヒーレンス空間的コヒーレンス

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

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

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 )

何故コヒーレント光が望ましい のか

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 ～ 10¹³ 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 10¹³ Hz ～ 3.8×10¹⁴ Hz

3.8×10¹⁴ Hz

　　　　　～ 8×10¹⁴ Hz 8×10¹⁴ Hz ～ 10¹⁸ Hz

10¹⁸ Hz ～

コヒーレント電磁波の発生法

以下について述べよ。

(

本日の講義後に提出

)

1. 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

?

2.

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

?

3.

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

?

4.

電気通信と光ファイバー通信との構成上の違いは何か

? 5.

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

?

本日 (2/2) のレポート問

題

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 光増幅媒体とはどのようなものか ?

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

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特 性

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 発振波長間隔

L n_eff 2

2

0

 



λ₀ : 発振波長の中心値 n_eff : 実効屈折率

L : 素子長

λ₀ Δλ

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

Λ : 回折格子の周期 n_eff : 実効屈折率



 2n_eff



回折格子

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

LiNbO _３ (LN) による MZI 型光変調器

半導体レーザの電流 - 光出力 (I-L) 特性 光信号

変調信号 (電気 ) 電流

光 出 力

40GbpsEA変調器(沖電気 )

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

LiNbO _３（ＬＮ）光変調器 (住友大阪セメント )

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

光検出 器

PIN フォトダイオード (PIN-PD)

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（ 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

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

n₂ n₁

n₁> n₂

コアクラッド

スラブ導波路 屈折率分布

n₁

n₂ n₁> n₂

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



 n₂

n₁

φ₁ φ₁

₂ 入射波

屈折波 反射波 n₁< n₂ の場合

全反射

全反射

全反射 n₁

n₂

n₂ n₁> n₂

φ₁ φ₁

φ₂ 入射波

屈折波 反射波

n₂ n₁

n₁> n₂ の場合

全反射



 



 ^ 

1 1 2

cos n n

c

臨界角

_c

2θ_max

開口数 : NA= sin(θ_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、 n₁ と n₂ との差が小さい時、全反射角 θ_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 θ_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、2 Δ は比屈折率差と呼ばれている

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 (2θ_max) は、

1

max 2

sin

NA    n









 2sin^ ( sin ) 2sin^ 2 2 2

2_max ¹ n₁ _c ¹n₁ n₁

また特に、 を開口数　 (Numerical Aperture) という

導波路内での光伝 搬

n₁ n₂

n₂ n₁> n₂ ϕ

ϕ

ϕ

ϕ: Goos-Haenchen Shift

k₀n₁ θ

k₀n₁cosθ k₀n₁sinθ

真空中での伝搬定数 : k₀=2π / λ 　 (λ: 波長 ) 、媒質中では k₀n₁ 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 (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

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、 v_g を 群速度 (Group Velocity) という　 (c は光速度 )

 cos n1

v_g  c

導波モードと定在

N = 0

波

Δϕ = 0

N = 1

2π

N = 2

4π

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 θ_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 θ_N は、

ここで、 Goos-Haenchen Shift の値 ϕ_N は一般的には入射角度 θ_N の関数 になるが、 θ_N が全反射角 θ_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

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







 k₀a n₁² n₂² k₀an₁ 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







  vg

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 β

ω/c (k₀)

1/n₁ 1/n₂

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 < π /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

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 n₁ 5 ～ 10μm

コア : 屈折率 n₁ 約 50μm

n₂

n₂

コア径約 50μm

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



 k₀an₁ 2

V 2

1 2 2 2 1

2n n n 

 V パラメータ 

n₁ n₂ 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 (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

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、符号識別誤りが起こる 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 単一モード光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、出射光パルスの時間幅が広がる 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

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

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

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ー (Dispersion Flat Fiber: DFF)

ノン零分散シフト光ファイバー (Non-Zero Dispersion Shift Fiber: NZ-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

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

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 コア

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

・分散補償光ファイバー （ Dispersion Compensation Fiber ）

・分散補償素子

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 )

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

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

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

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

)

1.

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。

2.

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

。

3.

光通信用の光源としての半導体レーザの特長を述べよ。

4.

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。

5.

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

。

本日 (2/4) のレポート問

題

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、主流になっていくものと思われる

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)

I Q

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

伝送帯 域

Loss²/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

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

  n1

BL c B: 帯域 (Hz), L: 長さ (m)Δ = 0.005 とすると、 BL = 40MHz ・ km 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

単一モード光ファイバーの伝送帯

波長分散による帯域制限

域

i) 光源の波長スペクトル幅 Δλ_s が広い (FP-LD や LED を使用の ) 場合

s

BL 510¹³  B: 帯域 (Hz) 、 L: 長さ (m) 、 Δλ_s: 光源のスペクトル幅 (nm)

例えば、 Δλ_s = 1nm 、 L = 50km の時、 B = 1GHz

ii) 光源の波長スペクトル幅 Δλ_s が狭い (DFB-LD を使用の ) 場合 1012

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

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。

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 t₁ t₂ t₃

周波数多重化

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 時間 t₁ t₂ t₃

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 伝送

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