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

H20 年 1/21, 1/28, 2/4 開講

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

質問等は E-mail: yamada@ecei.tohoku.ac.jp

1/21 、 1/28 、 2/4 　 3 回分の講義内容

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

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 搬送媒体から情報を取り出す搬送媒体を送る

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 1m 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 radw02

2w0

2

: 光の波長

)/exp()0()( 20

2 wrIrI 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)

sinnNA

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

ff n

w

sin

22

n

f2w0

2wf

f <

Ex.) 波長 1m 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 1.3m

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 復調変調電線

同軸ケーブル

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

伝送路LN変調器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

電磁波の波長

光通信には、波長 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 = 1012Hz)　　　 1 本の光ファイバーで、 10Tbps(Tbps は 1012bit/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史

年　代 人または機関 事　　項

1962 年 半導体レーザの発振IBM, GE, MIT(米 )

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 光メーザーの着想Townes(米 ), Schawlow (米 ), Basov(ソ ) ら

1976～ 79 年

1970 年 AlGaAs半導体レーザ室温連続発振林 , Panish ら (米 )

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 半導体による超短波増幅・発振のアイデア渡辺 , 西澤 (東北大 )

1930 年代 石英ファイバー ( ロッド ) による光伝送Lamb(独 ) 、関 ( 日本 )

1970 年代 半導体レーザの長寿命化、発振安定化NEC, 電電公社 , 日立 , 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

光ファイバーの製法

母材製造（プリフォーム )

出展 : Wikipedia

VAD（ Vapor phase axial deposition: 気相軸付け）法

レーザーとコヒーレント光

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

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 ～ 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 Hz8×1014 Hz ～ 1018 Hz

1018 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 )

E1

E2

電子など

光の吸収 自然放出誘導放出

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

eEP

)(

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

eEP

)(

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

半導体レーザー

半導体レーザー (Laser Diode: LD) 　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

Lneff2

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neff: 実効屈折率

effn2

q: モード番号　 1,2 ‥‥neff: 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+

ip+

光光電流

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 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

12 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

Port1Port2

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

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)

多モード光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

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 10 0

1 10 0

1 00

x

y0 1 0

x

y

QPSK

I

Q01 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

Em

e

t

-Em

0I

Q e(t) = Em sin (t + )

I

Q

BPSK

I

Q

QPSK

I

Q

8PSK

I

Q

I

Q

16QAM4QAM

(QPSK)

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 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

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 )

2月 8 日提出〆切

Digression

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

ムーアの法則

Intel 社の創設者の一人である Gordon Moore 博士が 1965 年に経験則として提唱し、 Electronics Magazine誌 1965 年 4月 19日号に発表

半導体素子に集積されるトランジスタの数は、 18ヶ月で倍増するという経験則による半導体技術の進歩に関する予測

ムーアの法則に従う Intel MPU の進化

コモドール 64 　 (1982 年 ) PET2001 　コモドール社　 (1977 年 )

MZ-80C 　シャープ　 (1979 年 ?)　 TK-80 　 NEC 　 (1976 年 )　

パソコンの進化

ギルダーの法則

NW の帯域は 6ヶ月で 2倍になる (2000 年当時の予測 ) 、実際は 1 年で 2倍

ChadMeredithHurley

SteveShih-chunChen

YouTube

William Henry Gates III

SergeyMikhailovichBrin

MicrosoftGoogle

David Filo

JerryChih-YuanYang

Yahoo

インターネット ビジネスの巨人達

正解できましたか ?

ネットビジネスにおけるロングテールモデル

売上高

売 れている商品 売 れていない商品

→　パレートの法則20% の 売 れ筋商品が、 売 上高の 80% を稼いでいる

死に筋商品

普通は店頭に置かない

小売店 の店頭に並ぶ

アマゾン・コムは、この商品に目を付けた

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～

NW の進化と Web 2.0

・ サービス、ビジネスは NW のこちら側から、 NW のあちら側へ　 (Web 2.0)

・ 既存のビジネスモデルが崩壊し、新しいビジネスモデルが NW上にどんどんと誕生

Microsoft (Yahoo) 　対　 Google

・ Yahoo の全面広告より、 Google のピンポイント広告へ (キーワード広告 )

・ 検索エンジンを自由自在に使い　こなせる者がこれからの勝者

・ 重要データは、 NW のこちら側のノート PC から NW のあちら側の安全なサーバーへ

今起きている事

・ いつでもどこでも快適にNW に　繋がる環境の整備が必要

・ ポケット電子辞書より、携帯端末 + オンライン辞書 ( ネット図書館 )

・ ロングテール現象に基づくネットビジネスのモデル ( アマゾン・コム )

Google Map

Google Earth Gmail

Google 検索エンジン

これから必要な事

皆さんへの期待

・ 美人秘書から、サイバーセクレタリーへ (Spam メールの選別、電話の取次ぎ、スケ　ジュール管理、情報提供サービス、翻訳、資料作成 )

・ 音楽、ビデオは個人コレクションから、アーカイブセンターからのオンデマンド配信へ

これから起きる事

これから起きる社会の変化を敏感に捉えて、確かな技術で新しいビジネスを創生 !!

・ パソコン OS上のアプリに代わり、 NW上のアプリが普及

・ パソコンからは HDD が消え、単なる NW端末に ( データ、アプリは NW上に )

これからやるべき事

NW の広帯域化とアクセスポイントの整備

・ ポケット電子辞書に代わり、オンライン辞書 ( ネット図書館 ) が普及

・ Google が Microsoft の株式時価総額を追い抜く

・ 通信と放送の融合