光ファイバー通信入門

通信工学概論

Fundamentals of Electrical Communication

山田 博仁

光ファイバー通信入門

2020

年

10/2, 10/9, 10/16

講義資料

講義資料のダウンロード　　 http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe

2020 年講義スケジュー ル

日時 　教員 内容

10

月

2

日（金）

1

講時 山田 博仁 光ファイバー通信入門

10

月

9

日（金）

1

講時 山田 博仁 光ファイバー通信入門

10

月

16

日（金）

1

講時 山田 博仁 光ファイバー通信入門

10

月

23

日（金）

1

講時 大町教授

11

月

6

日（金）

1

講時 大町教授

11

月

13

日（金）

1

講時 大町教授

11

月

20

日（金）

1

講時 伊藤教授

11

月

27

日（金）

1

講時 伊藤教授

12

月

4

日（金）

1

講時 伊藤教授

12

月

11

日（金）

1

講時 陳教授

12

月

18

日（金）

1

講時 陳教授

12

月

25

日（金）

1

講時 陳教授

1

月

8

日（金）

1

講時 西山教授

1

月

15

日（金）

1

講時 西山教授

1

月

22

日（金）

1

講時 西山教授

1

月

29

日（金）

1

講時 予備日

講師紹介

　東北大学　大学院工学研究科　通信工学専攻　教授　山田 博仁 略歴　出身

:

岐阜市　

(

現在の自宅は茨城県 守谷市にあり、仙台には単身赴任

) 　 1981

年　金沢大学 工学部 電子工学科卒

　 1987

年　東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻　博士課程修了

　同年、

NEC

入社。光エレクトロニクス研究所にて通信用半導体レーザの研究開発 に従事

　 1991

年　関西エレクトロニクス研究所

(

大津

)

に異動

　 1997

年～

1998

年　

NEC

北米研究所

(

プリンストン

)

に出向

　 1998

年　光･超高周波デバイス研究所

(

筑波

)

に異動。マネージャーとして研究 マネージメ

　ントに従事。その後、基礎･環境研究所

(

筑波

)

に異動。主任研究員としてフォト ニック結晶

　や

Si

細線光導波路素子の研究に従事

　 2006

年

6

月に

NEC

を退社。同

7

月から、東北大学 大学院工学研究科 電気･通 信工学専　攻 教授に着任、現在に至る

趣味　ギター演奏、旅行、電子工作、アマチュア無線、オーディオ、写真　等 スポーツ　山歩き、スキー、テニス　等

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する

2.

講義内容

　初回　　・ インターネットを支える光ネットワークと、適用範囲が広がりつつ ある光通信

　　・ 光通信とは

?

、光通信の歴史、光通信の特長、光通信の要素デバイ ス　　・ レーザーとコヒーレント光、何故コヒーレント光が望ましいのか

? 　 2

回目

　　・ 光ファイバーにおける光伝搬、導波モード、分散、伝送帯域 　　・ 光ファイバー伝送における信号波形歪の発生と補償技術

　　・ 光変調方式、光伝送方式、デジタルコヒーレント光伝送システム

　 3

回目

　　・ 光通信における信号多重化方式

　　・ 光ネットワークとフォトニックネットワーク 　　・ 光通信の将来展望

3.

成績評価

　　毎回の講義に関するレポート点の合計　

(20

点満点

) 4.

参考書

　　伊藤弘昌 編著、フォトニクス基礎、朝倉書店

　　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

202

号室

インターネットを支える海底光ケーブ ル網

出展　　KDDI HP https://time-space.kddi.com/special/specialreport/20141105/

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

身近の光ファイバー通 信

FTTH(Fiber To The Home):

フレッツ光

(NTT), au

ひかり

(KDDI)

などがサービスを展開

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

身近の光ファイバー通

マンションなどの集合住宅では、共有部分まで光ファイバーを敷設し、

信 ONU

で光から電気信号に変換した後、その先の各住戸までは電話回線を利用する

VDSL

方式が用いられている

集合住宅などの

VDSL(Very　high-speed　Digital　Subscriber　Line)

方式

NTT

東日本 フレッツ光

HP

より

国内におけるブロードバンド契約者数の

2019 年度末の固定系ブロードバンド・インターネット回線の契約数は 推移

4,120 万契約

そのうち FTTH( 光回線加入者 ) は 3,309 万契約で、全体の約 80%

FWA(Fixed　Wireless　Access):　

固定無線アクセスまたは加入者系無線アクセスシステム

BWA(Broadband　Wireless　Access):　

広帯域移動無線アクセスシステム、

WiMAX

など

出典

: R2

年度版情報通信白書

※)　VDSL

は

FTTH

の分類に含まれる

国内のネットワーク トラフィック の推移

出典

: R2

年度版情報通信白書

国内のインターネット トラフィックの総量は、 2019 年末時点で

約 13Tbps 現在もなお、年率約 20% で増加

IT/NW 機器の電力消費の予

IT/NW 関連機器の電力消費は今後も増加の一途をたどる見通し 測

国立研究開発法人 科学技術振興機構 低炭素社会戦略センター報告

情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.1）－ IT 機器の消費電力の現状と将来予測－

https://www.jst.go.jp/lcs/pdf/fy2018-pp-15.pdf

1 本の光ファイバーの信号伝送容量 は ?

Question:

How much information can be transmitted by a thin piece of optical fiber ?

- Apple 　 Next Gen. Thunderbolt: 20G bps Hint:

- FTTH (NTT FLETS ・光 Premium, KDDI au 光 ): 1G bps A. 100G bps (1G = 10

⁹

)

B. 10T bps (1T = 10

¹²

) C. 1P bps (1P = 10

¹⁵

)

通信用光ファイバー

D. 1E bps (1E = 10

¹⁸

)

適用範囲が広がりつつある光通 信

Active Optical Cable(AOC)

によ る

Storage Area Network(SAN)

光通信は今や、サーバーの筺体間データ通信から、パソコンにまで

AOC

とサーバーの

Backplane

Light　Peak

による

Universal　Bus　Interface

SONY　 VAIO　Z

に搭載された

Light　Peak

ボード間光伝送用パラレル光モジュ ール

10Gbps, 12ch(120Gbps)

パラレル光モジュール

Avago

製

　 MicroPOD

^TM

IBM Power775

スパコンに搭載

Power775

のシステムボード

スーパーコンピューターのボード間データ通信にも光通信が

リボン光ファイバー

車載光ネットワー

ク

LSI チップ内光配 線

グローバル 電気配線層

ローカル配線

Tr

層層

・ 高速データ通信

・ 電磁ノイズの低減

・ 消費電力の低減 光配線層

LSI

チップの断面

(

出展

:

米

Intel

社

) 130nm 6

層銅配線

・ 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

LSI の性能限界が近年顕在化

電気配線の限界 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

光配線のメリット

適用分野が広がりつつある光通 信

筐体 ( ラック ) 間　→　ボード間　→　チップ間　→　チップ内 ( 素子間 )

出典

: C. Gunn, “CMOS Photonics™ Technology Enabling Optical Interconnects” Luxtera, Inc.

Light Peak Infiniband

DDR(20Gbps)AWG24 20m

まで

Active optical cable (AOC) 100m

まで

MicroPOD

光インターポーザ

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

各種波動を用いる通信方 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

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

484m )

/ 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

ガウスビーム波のレイリー長

2w

₀

2w(z) λ:

光の波長

z

電気通信のしく み

発振器 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

光ファイバー通信には、波長 長 1μm 前後の近赤外域を使用

可視光域

1 ．広帯域 ( 高速、大容量通信が可能 )

　　　 1 本の石英光ファイバーで、 1Pbps(Pbps は 10

¹⁵

bit/sec のこ と ) 以上の

　　　高速伝送が可能。近年、 1.01Pbps の光伝送に成功 (NTT, Fujikura,

　　　北大 , デンマーク工科大の共同 )

　　　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： 2,000km 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、近接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

)

Kao, Hockham(

英

)

低損失シリカ光ファイバーの可能性示唆

1966

年

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

3000

心光ケーブル 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

ナイロン繊維で被覆

1

本

光ファイバー

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

(

約

150km)

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、狭帯域に高利得の信号 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

(

位相雑音が少ない

)

の で、より速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、レーザーのようにコヒー レント光を用いる方が望ましい。

以下の課題について、 A4 レポート用紙 1 枚程度で述べよ。

提出期限 : 来週 (9 日 ) 、提出先 : Google Classroom

1. 今、国内のネットワーク・トラフィックは、年々どのような推 移を辿っているのか。ブロードバンド契約者である皆さんさん がダウンロードおよびアップロードする情報とそのデータ量を 鑑み、それらは今後どのように推移していくと考えられるのか

、自分なりの考えを含めてある程度定量的に述べよ。 ( 例えば、

コロナ後の時代のトラフィックはどうなる ?)

2. 近年、光通信の適用範囲はどのように変貌しているのか述べよ

。

3. 電気通信と光 ( ファイバー ) 通信との構成上の違いについて述べ よ。また、近年光通信の役割はどのように変化してきたか ?

4. 光ファイバー通信用の光源としては、発光ダイオード (LED) よ りもレーザーを用いる方が望ましい。それは何故か ?

本日 (10/2) のレポート問

題