光ファイバ通信システムについてuser.numazu-ct.ac.jp/~sato.kenji/fiber.pdf1...
TRANSCRIPT
2
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
3
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
4
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
5
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）
6
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
7
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
8
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)
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
14
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
⋅
15
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)
16
10 10 Gbps Gbps ビットパタンビットパタン
光
電気
17
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)
18
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
19
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
21
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)
22
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）
23
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
24
EDFAEDFA装置装置
ポンプレーザEDF
25
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
26
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
27
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
28
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
29
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
30
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
31
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
32
Arrayed Arrayed Waveguide Waveguide GratingGrating
Input Output
Arrayed Waveguide
Slab Waveguide
異なる波長の光を合波，分波
33
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)
34
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
35
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
36
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．