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

光導波路の構 造

光ファイバー 屈折率分布

n₁ n₂

n₁>n₂

コアクラッド

スラブ導波路 屈折率分布

n₂

n₁ 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

₁ ₁

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

₁ ₁

₂

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

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、

n₁

と

n₂

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









 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 -

-

-

-: Goos-Haenchen Shift

k₀n₁



k₀n₁cos

k₀n₁sin

真空中での伝搬定数

: k₀=2 / 　 (:

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

(k₀n₁sin)

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、

= k₀n₁cos

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

 =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







 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



/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 < /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 系

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

系

)

比較的高価

コア

:

屈折率

n₁ 5

系

10 m

コア

:

屈折率

n₁

系

50 m

n₂

n₂

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



 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

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

  n1

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10¹³ 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

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

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)

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

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 λ₁

λ₂ λ₃

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

ルーター

PON

病院

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

/1.5

年

国内の全インターネット トラフィックは平均で約 500Gbps

IT ネットワークの将 来像

PC

は

HDD

レス、

CF

メモリーのみに

100M

ワイヤレスと

10G Ether

装備

Web2.0

のサービス

PC

は単なるデータ検索端末に

オンデマンド

TV

データは全て安全な

サーバーに保管

NHK

アーカイブス 受信料を払えば 過去の

TV

番組も 自由に視聴可能 どこでも

TV

電話 本や音楽は、読みたい時

聴きたい時にダウンロー ド

街中の至る所で

BB

でネットに接 続

映画製作会社

世代別 IT 企業の役 割

Yahoo

アマゾン・コム 楽天

NW

アプリ

(Web1.0) 1990

年代

Google

NW

アプリ

(Web2.0) 2000

年代

Intel

MPU

チップ

Motorola 1960

年代

TI

Microsoft

OS

・アプリ

1980

年代

ジャストシステム

Adobe

NW

上の

全ての情 報を体系 化して提 供 情報を蓄 積処理す

るシステ ムを提供

Apple

Dell

パソコン サーバー

HP 1970

年代

情報を蓄 積処理す る装置を 提供

NW

上に

体系化さ れた情報 を加工し て提供 情報を

NW

上に 蓄積して 提供

皆さん

? 2010

年代

NW

アプリ

(Web3.0?)

情報を蓄 積処理す る装置の 部品を提 供

Gordon E. Moore 1929

年～

William Henry GATES III 1955

年～

Sergey Mikhailovich Brin

1973

年～

レポート課 題

以下のいずれかについて、

A4

用紙

3

枚以内にまとめよ

1.

光ファイバー通信の特徴について述べよ

　　

(

電気通信との比較、伝送路としての光ファイバーの特長など

) 2.

光通信にレーザーを用いる理由について述べよ

　　

(

レーザー光の特徴、コヒーレント光を用いる理由など

) 3.

光通信の要素デバイスのうちいずれか一つについて述べよ

　　

(

光ファイバー、半導体レーザ、受光素子、光増幅器などの構造 　　どのような種類のものが有るのか、その動作原理は 、役割、

)

4.

光ファイバーの伝送帯域について述べよ

　　

(

伝送帯域は何によって決まり、どのくらいの帯域があるのか

) 5.

光ファイバー通信における信号多重化方式について述べよ

　　

(

各種多重化方式の違い、伝送可能帯域など

)

提出〆切

: 1

月末

提出場所

:

教務係

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

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