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光ファイバ通信

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tagsphysics, optics, network, modulation
aliasesoptical-modulation-multiplexing

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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-fiber-communication)。
  • 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-fiber-communication で扱う。

関連: _moc-systems / optical-fiber-communication

光変調と多重化(WDM)

optical-fiber-communication の大容量化を支える、信号を多重化する技術と変調方式。

多重化方式

  • 波長分割多重(WDM): 1本の光ファイバに異なる波長を同時伝搬させる(光側でやる)。193.1THzを基準に100GHz(0.8nm)間隔のITU-Tグリッドに精密制御。間隔を1/2・1/4にした高密度WDM(DWDM)もある。デバイス要求を緩くでき低コスト・低劣化。合分波には AWG(波長間隔が狭い場合)や誘電体多層膜フィルタ(広い場合)を使う。
  • 時分割多重(TDM): 時間スロットで多重。世界統一の同期多重 SDH の階層(STM-1=155.52Mbps、270byte×9line)を採用。
  • 周波数分割多重(FDM): 電気側で異なる周波数に載せる(ラジオ・テレビ)。
  • 空間分割多重(SDM): 光ファイバ内の心線数を増やす。
  • これらを組み合わせて大容量化する。

WDMの制限要因

  • ASEによるビート雑音、波長分散、特に四光波混合(FWM)による波形劣化。分散が小さいと FWM が顕著なため NZ-DSF を用い、各波長に均等な分散補償器を併用する。

変調方式(電気段)

  • アナログ変調: 振幅変調(AM/ASK)・周波数変調(FM/FSK)・位相変調(PM/PSK)。
  • 16-APSK: 振幅2種×位相8種(π/4刻み)=16値。振幅位相変調。
  • MLC(マルチレベル符号化): 各復号段でフィードバックを持ち、条件部が増えて復号しやすくなる。通信路容量に一致しうる。
  • 遅延型BICM (DBICM): 複数符号語を遅延させて送り、確定済みパーツをヒントに復号する。Head/Body/Tail の全体最適がテーマ。
  • 伝送路符号は NRZ符号・RZ符号 を参照。

光部品

  • 変調器: ポッケルス効果を使う LN(ニオブ酸リチウム)マッハツェンダ型、電界吸収型(EA)。
  • 受光素子: PIN/APDフォトダイオード(O/E変換)。
  • 波長選択: 回折格子、AWG、ファイバブラッググレーティング(FBG)、光スイッチ(MEMS/電気光学/音響光学)。

関連: _moc-systems / optical-fiber-communication / information-theory

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