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内容内容
光ファイバ通信の概要
光通信を進歩させた２大技術
(1) 光増幅器(2) WDM
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通信ネットワーク通信ネットワーク
ユーザ
（交換機／ルータ）中継網ノード
アクセス網
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通信の進歩通信の進歩
中継網：長距離，大容量
ほとんど光ファイバ通信
アクセス網：高速，低コスト
Mobile, FTTHユビキタス
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インターネット世帯数予測インターネット世帯数予測
4000
3000
2000
1000
0
世帯数（万）
20102008200620042002
年
2006.12
Analog
CATVISDN
ADSL
FTTH
総世帯数：4600万
（2002.8 野村證券金融研究所）
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どれが１番速いか？どれが１番速いか？
光ファイバ
ペア線（電話線)同軸ケーブル
無線
すべて電磁波
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電磁波の波長，周波数と名称電磁波の波長，周波数と名称
電波
光の領域(広義)
電波
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問題は伝送速度問題は伝送速度
ビットレート：bit/s, bps- Bフレッツ（FTTH）: 100 Mbps- ADSL: 50 Mbps- INSネット64: 64 kbps (FTTH: Fiber To The Home)
(ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line)
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ビットレートの制限要因は？ビットレートの制限要因は？
高速化
光通信では？
送信器 受信器
光ファイバの特性：広帯域，分散
信号処理と信号伝送
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光光ファイバファイバ
波長帯：0.8, 1.3, 1.55 µm, ---シングルモード，マルチモード
伝播ロス: 0.2 dB/km, ---波長分散: 17 ps/nm/km, ---
見たことは？ 地球上に６億km
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石英ファイバの構造石英ファイバの構造
コア：SiO2+GeO2n0 = 1.447~ 8 µm
クラッド：SiO2n1 = 1.442125 µm
SMF: Single Mode Fiber
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実験用光ファイバ実験用光ファイバ
PANDA Fiber
ボビンに巻いた長尺ファイバ
パッチケーブル
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ファイバ中の光伝搬ファイバ中の光伝搬
n1
コアが大きい場合：全反射(光線近似)
コアが小さい場合：モード(波動)
n0
n1n0
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石英ファイバのロス石英ファイバのロス
損失係数
(dB / km)
波長 (µm)
1.3 1.5 1.61.4 1.70
0.2
0.4
0.6Min @ 1.6 µm0.2 dB/km
[dB] log10 10out
in
PP
⋅
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光送受信機の評価光送受信機の評価
ED
Fiber
Laser PD
PPG
Ib
Sampling Oscilloscope
(Error Detector)
(Pulse Pattern Generator)
(Photo-Diode)
Vb
Rx
(Receiver)
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10 10 Gbps Gbps ビットパタンビットパタン
光
電気
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通信の基本構成通信の基本構成
情報 変換 多重化 中継伝送 分離 逆変換 情報
地点A 地点B
音声
映像
データ
変調
符号化
周波数分割多重
時分割多重
周波数分割分離
時分割分離
復調
復号化
音声
映像
データ
大容量化と中継距離の拡大
(電気) (光)
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長距離化の障壁長距離化の障壁
ファイバのロス
ファイバの分散
東京大阪
600 km
9000 km アメリカ
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光増幅器光増幅器を用いた長距離光通信を用いた長距離光通信
・インラインアンプによるロス補償
ファイバロス 0.2 dB/kmの時，必要な利得は？
E/O
ブースタアンプ インラインアンプ プリアンプ
送信器 ファイバ 受信器ファイバ
E/O
電気 電気
100 km
20 dB
20
光増幅器の利点光増幅器の利点
光信号を直接増幅（電気変換なし）
ビットレートに依存しない
広帯域増幅：
多チャネル一括増幅
光プリアンプによる受信感度向上
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光増幅器の分類光増幅器の分類
半導体レーザ増幅器（SLA）
光ファイバ増幅器
ファイバラマン増幅器 (FRA) ◇分布増幅型（増幅媒質=敷設シリカファイバ）
希土類添加ファイバ増幅器
◇エルビウム (Er): EDFA ~ 1.55 µ m
サザンプトン大，他（英, 1984)
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吸収励起光
誘導放出信号光
自然放出雑音光
吸収信号光
高速熱緩和（非発光）
反転分布：N2 > N1ゲイン： B – C hν = E2 - E1
３準位モデル３準位モデル
E2
E1
D C A B
N2
N1
E3
（電子準位）
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光ファイバ増幅器の光ファイバ増幅器の構成構成
EDF
ポンプレーザ
波長= 1.48 or 0.98 µm
パワー= 50 ~100 mW
合波器信号光
励起光光アイソレータ
1.53 ~ 1.56 µm 信号光
～数10 ｍ
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier
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EDFAEDFA装置装置
ポンプレーザEDF
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利得の波長依存性利得の波長依存性
Gain @1.55 µm = 20 dB利得
(dB
)
信号光波長 (nm)
0
10
20
30
40
1520 1530 1540 1550 1560 1570
~40 nm = ~5 THz
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EDFAEDFAは万能か？は万能か？
EDFAを用いれば距離の限界はない？ 太平洋横断はできている
ノイズの発生
SNRの劣化 (Signal to Noise Ratio)非線形効果
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高速・大容量化の課題高速・大容量化の課題
TDMの限界：40 Gbps - 100 Gbps(Time Division Multiplexing)
波長分割多重方式: WDM(Wavelength Division Multiplexing) 2.5 Gbps x 4 λ: 1995-（米） 時間軸から周波数軸へ
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光ファイバ
時間 時間
光合波器 光分波器
プリズムと同じ働き多重前の信号 分離後の信号
チャネル１
チャネル２
チャネル３
チャネル４
チャネル１
チャネル２
チャネル３
チャネル４
WDMWDMの原理の原理
λ1
λ2
λ3
λ4
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波長と周波数波長と周波数
周波数：
( )212112
12 λλλλλλ
νν −=−=− cccν =
cλ
or λλ
ν ∆=∆ 2c
1.55 µm近傍では 1.0 nm ~ 125 GHz0.8 nm ~ 100 GHz80 nm ~ 10 THz
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周波数間隔周波数間隔
fch. 1 ch. 2 ch. 3 ch. 4
fsp
∆f
B/∆f < 1 bit/s / Hz : Nyquist Limit B: Bit Rate fsp > B
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EDFAEDFAを用いた長距離を用いた長距離WDMWDM10 Gbps x 80 channel
10 Gb/s Tx
AWG Filter 50 GHz
EDFA
10 Gb/s Rx
λ (µm)1.55 1.60
Fiber
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Arrayed Arrayed Waveguide Waveguide GratingGrating
Input Output
Arrayed Waveguide
Slab Waveguide
異なる波長の光を合波，分波
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基幹網の伝送速度基幹網の伝送速度
Commercial in Japan
1980 1990 2000 2010
10 M
100 M
1 G
10 G
100 G
1T
10 T20 dB / d
ecade
2.4 G
10 G
120 G (WDM)
Year
Dat
a B
it R
ate
(bit/
s)
32 M
100 M400 M
1.6 G
600 M
SDH
DFB Laser
EDFA
WDM
IC
800 G (10 G x 80)
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WDMWDMの課題の課題
WDMで伝送容量はどこまで増やせる？ 111 Gbps x 140 ch = 14 Tbps (2006, NTT)チャネル間のクロストーク
非線形効果
光源の波長精度や光フィルタの精度
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まとめまとめ
光ファイバ通信を進歩させた２大技術
EDFAによる長距離化WDMによる大容量化
アクセス網の光化(FTTH)が進行中
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参考文献参考文献光通信全般
末松安晴，伊賀健一，「光ファイバ通信入門」，オーム社．
小林郁太郎編著，「光通信工学」，コロナ社．
ファイバ非線形
G. P. Agrawal, “Nonlinear Fiber Optics,” Academic Press.光増幅器
中川清司他，「光増幅器とその応用」，オーム社．
光子統計，非線形
広田修監修，「スクイズド光」，森北出版．
ファイバのモード，導波路解析
岡本勝就，「光導波路の基礎」，コロナ社．
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