光ファイバ通信
光(近赤外1.55μm帯)を搬送波として、石英ガラスの光ファイバ中を全反射で伝送する大容量通信方式。1970年が「光ファイバ通信元年」(実用的な半導体レーザーと高品質光ファイバの登場)。
なぜ光なのか
- 高速通信には広帯域が必要で、搬送波周波数が高いほど高ビットレート変調・高指向性が得られる。光は約194THzで極めて広帯域(70THz級)。
- 光ファイバの利点: 低損失(0.2dB/km @1.55μm、50kmでも-10dB=1/10)、広帯域、軽量・細径、無誘導(電磁誘導を受けない)、省資源(石英は豊富)。銅線はコンデンサ・抵抗成分で減衰し-10GHz程度が限界。
光ファイバの構造とモード
- 屈折率の高いコアを1%ほど低いクラッドが包み、コアを全反射(臨界角 )で伝わる。外径125μm。
- モード=光路。反射角は定在波の節条件で離散化される。
- マルチモード(MMF): 複数モードが伝搬。ステップインデックス型はモード分散が大きく、グレーデッドインデックス(GI)型で伝搬遅延を揃える。
- シングルモード(SMF): 基本モードのみ。長距離向けで、日本生産の90%以上。
損失と分散
- 損失: 散乱(レイリー散乱、短波長で支配的)+吸収(紫外・赤外、不純物)。総和が最小なのが1.55μm。曲げ・接続・結合による外的損失もある。
- 波長分散(材料分散+構造分散): 波長により速度が異なり波形が広がる。構造分散を調整し1.55μm帯で0にした分散シフト光ファイバ(DSF)、非線形抑制のため意図的に分散を残したNZ-DSFがある。
- モード分散・偏波モード分散(PMD) もある。
非線形性
- 光強度が大きいと分極が電界に比例しなくなる。自己位相変調(SPM)・相互位相変調(XPM)・四光波混合(FWM)、誘導ブリルアン散乱(SBS)・誘導ラマン散乱(SRS)。長距離で波形歪みやクロストークを生む。
- 光ソリトン伝送: 自己位相変調と波長分散を釣り合わせ波形を保つ(sech形パルス)。実用化は難しい。
変調と評価
- 光通信は**強度変調/直接検出(IM/DD)**が基本。電気段では位相・周波数変調(optical-modulation-multiplexing)。
- 伝送路符号は NRZ符号・RZ符号、CMI、スクランブルドバイナリ。コヒーレント光通信は位相・周波数も使うQAMで超大容量化(基幹網)。
- 品質指標は符号誤り率(BER) (S/N≈21.6dB)。雑音はASE・ショット雑音・熱雑音・ビート雑音。
システム
- 3R再生中継(Reshaping/Retiming/Regeneration)→ EDFAなど光増幅器で一括増幅するWDM中継へ。海底ケーブルもWDM光増幅中継方式。光部品(レーザー・受光素子・変調器・フィルタ)は別途 optical-modulation-multiplexing で扱う。