通信システム工学B

Communication Systems Engineering 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

21cosn

nc臨界角

c

2max

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

21cos1sin

21

22

21

2

1

22

n

nn

n

ncc

1

21cosn

nc

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21

22

21

2n

nn

]rad[22sin 1 c

さらに、導波路が受け入れることのできる受光角 (2max) は、

1max 2sinNA n

222sin2)sin(sin22 111

11

max nnn c

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

Nank 22sin4 10

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、 vg を群速度(Group Velocity) という　 (c は光速度 )

cos1n

cvg

導波モードと定在波

N =0

=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。

cN

]rad[),2,1,0()1(2

sin01

NNaknNN

従って、モード番号 N に対する入射角度 N は、

Nank NN 22sin4 10

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 Nmax が存在し、以下の条件を満たす。

cN 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 Nmax は以下の式で与えられる。

)1()2(

1max V

N

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

21022

210 anknnakV

Nmax 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

gv群速度

曲線の傾きは vg/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、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 n15 ～ 10 m

コア : 屈折率 n1約 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

210ankV21

22

21

2n

nn V パラメータ

n1

n2

2a

22

8VM

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 vg 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: vg1 vg1 > vg2 > vg3モード 3: vg3 モード 2: vg2

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: vg1 vg1 < vg2 < vg33: vg32: vg2

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バー

分散シフト光ファイバー (Dispersion Shift Fiber: DSF)

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HE11even モードと HE11odd 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

HE11x モード HE11y 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 I-L 特性

光出力

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

1n

cBL 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

sBL

13105 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

121015.2 LB 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 : 末松安晴、伊賀健一共著、光ファイバ通信入門、オーム社

伝送中継技術

光 -電気変換 OE/EO による 3R (Reamplification 、 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中継器送信機 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再生とは

振幅増幅 (Reamplification) 　弱くなった信号強度を増幅して強くする

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

10 0

1 1

t

10 0

1 1

t

10 0ファイバー 減衰増幅

1 1

t

10 0 1 1

t

10 0ファイバー波形劣化

波形整形1 1 10 0

1 1

t

10 0 1 1

t

10 0ファイバー タイミング修正

1 1

t

10 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 t3t2

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 光検出器 復調光変調光ファイバー

2.4 Gbps 2.4 Gbpsbps: bit per second

1Gbps100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps1Gbps

2.4 Gbps

時間領域または周波数領域で多重化

DemultiplexerMultiplexer

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

1Gbps100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps1Gbps

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

復調1Gbps100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps1Gbps

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

WavelengthMultiplexer

WavelengthDemultiplexer

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 )

光通信の展望

光通信の今後は ?

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

AＷＧ

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

PONルーター

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. Moore1929年～

William Henry GATES III1955年～

Sergey Mikhailovich Brin1973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、役割、　　どのような種類のものが有るのか、その動作原理は )

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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