Transcript - 東北大学電気・情報系

光導波路の構造
コア
n1
n1>n2
クラッド
n2
屈折率分布
n1
光ファイバー
n1>n2
n2
屈折率分布
コア
クラッド
スラブ導波路
光導波路が光を導くメカニズム
n1<n2の場合
n1>n2の場合
入射波
反射波
入射波
1 1
反射波
1 1
n1
n1
n2
Snellの法則
2
sin  1
屈折波
sin  2

n2
n2
n1
全反射
c
2
屈折波
n 
臨界角  c  cos 1  2 
 n1 
n2
2max
全反射
放射モード
全反射
n1
n2
全反射
n1>n2
光が伝搬可能な入射角度の範囲
開口数: NA=sin(max)
導波路内での光伝搬
クラッドへの光の浸み出し
a
n2
-f
n2
-f
k0n1sin
n1
コア
-a
-f: Goos-Haenchen Shift
n1>n2
-f
k0n1

k0n1cos
真空中での伝搬定数: ko=2p /l (l: 波長)、媒質中ではk0n1
光の伝搬方向の伝搬定数成分bは、b = k0n1cos
c
光が伝搬方向に伝わる速度は、 v g  cos  であり、vgを群速度(Group
n1
Velocity)という
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
 f  4 k 0 an 1 sin   2f  2p N
N: モード番号 (0, 1, 2 ‥‥)
導波モードと低在波
E
N =0
f =0
E
N =1
2p
E
N =2
4p
モードの数
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。従って、導波路内を伝搬可能なモード番号の最大値Nmaxが存在する。
 2a 
2
2
V  k 0 a n1  n 2  k 0 an 1 2   p 
 n1 2 
(p 2 )
 l 
n1  n 2
ただし、はコアとクラッドの比屈折率差で、  
で与えられる
n1
N max  1 
V
 (1)
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
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
N=3
カットオフ領域
(放射モード)
w/c
N=2
1/n2
(k0)
群速度 v g 
w
b
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
N=0
N=1
1/n1
b
単一モード条件: V < p/2
導波路の分散関係
光ファイバーの種類
モード数
屈折率分布
材 料
コア: 屈折率n1
5～10 mm
単一モード
n2
Step Index型
コア: 屈折率n1
約50 mm
n2
多モード
Step Index型
特 徴、用 途
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)
コア: 石英ガラス
クラッド: 石英ガラス 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
短距離の光伝送、光インターコネ
コア: 石英ガラス
クション(コンピュータ、ストレージ
クラッド: 石英ガラス
筐体間データ通信)、接続容易
コア: プラスチック
接続や取り扱いが容易なので、
クラッド: プラスチック AV機器用データ通信に利用
コア約50 mm
屈折率分布
Graded Index型
コア: 石英ガラス
クラッド: 石英ガラス
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
光ファイバーにおける導波モード
n2
2a
n1
Step Index型多モード光ファイバー
Vパラメータ
導波モードの数
V  k 0 an 1 2 
M 
8
p
2
V
2
 
n1  n 2
n1
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
多モードファイバーにおける分散
モード分散 (Mode Dispersion) 伝搬モードによって群速度vgが異なる
モード3: vg3 モード2: vg2
モード1: vg1
vg1 > vg2 > vg3
モード1を伝搬し
てきた光パルス
モード2
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
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
光ファイバーの分散
単一モードファイバーにも存在する分散
波長分散 Chromatic Dispersion
石英ガラスの材料分散
導波路の構造分散
l1: vg1
l2: vg2
母材の石英ガラスの屈折率が波長に依存
導波路の伝搬定数が波長に依存
l3: vg3
vg1 < vg2 < vg3
入射光パルスが多波長成分を有すると
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
偏波モード分散 Polarization Mode Dispersion
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
光ファイバーの伝搬損失と分散特性
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
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)
ゼロ分散となる波長を、1.55 mm帯にシフトさせた光ファイバー
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
逆分散光ファイバー (Reverse Dispersion Fiber: RDF)
単一モードファイバー(SMF)と全く逆の分散特性を有する
分散フラット光ファイバ (Dispersion Flat Fiber: DFF)
広い波長域に渡り分散をフラットにしたファイバー
ノン零分散シフト光ファイバ (Non-Zero Dispersion Shift Fiber: NZ-DSF)
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
その他の光ファイバー
偏波保持(保存)光ファイバー
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 PANDA型ファイバーの断面
が解ける
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
プラスチック光ファイバー (POF)
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
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
光学的分散補償デバイス
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
分散補償光ファイバー （Dispersion Compensation Fiber）
(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×)
分散補償素子
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
電気的分散補償 (Electronic Dispersion Compensation)
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
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。光のコヒーレンスは利用していない
LDのI-L特性
光
出
力
光信号
PD
電流
変調信号(電気)
LDの強度変調
検波出力信号(電気)
PDによる直接検波
コヒーレント方式
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
アナログ変調方式
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
伝送帯域
同軸ケーブル
出展: http://www.hitachi-cable.co.jp
Loss2/B=一定 Loss: 伝搬損失(dB/m), B: 伝送帯域(Hz)
光ファイバー
多モードファイバー
BL 
c
n1 
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
B: 帯域(Hz), L: 長さ(m)
単一モードファイバー
=0.005とすると、B=40MHz・km
波長分散と偏波モード分散によって制限
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lsが広い(FP-LDやLEDを使用の)場合
BL  5  10
13
B: 帯域(Hz)、L: 長さ(m)、ls: 光源のスペクトル幅 (nm)
ls
例えば、ls=1nm、L=50kmの時、B=1GHz
ii) 光源の波長スペクトル幅lsが狭い(DFB-LDを使用の)場合
B
L  2 . 15  10
12
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
送信機
OE/EO
中継器
OE/EO
中継器
OE/EO
中継器
光中継器の構成
受信機
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
光増幅器による2R (Reamplification、Reshaping)再生
光信号を一旦電気信号に変えることなく、光のまま増幅、等価を繰り返して中継
送信機
光増幅器
光増幅器
光増幅器
受信機
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
ファイバー
1 0 1 1 0
減衰
増幅
1 0 1 1 0
1 0 1 1 0
t
t
t
波形整形 (Reshaping) 分散などの影響で劣化した波形を整える
波形劣化
ファイバー
1 0 1 1 0
1 0 1 1 0
波形整形
1 0 1 1 0
t
t
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
タイミングのズレ
タイミング 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0
1 0 1
10
ファイバー
修正
t
t
t
信号の多重化伝送
複数の信号を1本の伝送路に乗せる手法
多重化方式
時分割多重 Time Division Multiplexing (TDM)
多重化する領域
電気信号の時間
周波数多重 Frequency Division Multiplexing (FDM)
電気信号の周波数
サブキャリヤ多重 Subcarrier Multiplexing (SCM)
電気信号の周波数
波長多重 Wavelength Division Multiplexing (WDM)
偏波分割多重 Polarization Division Multiplexing (PDM)
光の波長
光の偏波(偏光)面
空間多重 Space Division Multiplexing (SDM)
空間
符号分割多重 Code Division Multiplexing (CDM)
符号
電気信号の多重化
t1 t2 t3
時分割多重化
t1 t2 t3
時間
1秒
一人当たりの帯域
f1 f2 f3 f4
周波数
利用可能な周波数帯域
周波数多重化
多重化の方法
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)
制限速度15 mphの4車線一般道路 (波長多重、空間多重)
電気によるTDMおよびFDM
2.4 Gbps
光源
光変調
光検出器
復調
光ファイバー
時間領域または
周波数領域で多重化
2.4 Gbps
bps: bit per second
Multiplexer
1Gbps
2.4 Gbps
100 Mbps
64 kbps
Demultiplexer
1Gbps
100 Mbps
64 kbps
複数本の光ファイバーによる空間多重
光源
光変調
1Gbps
光変調
光源
光源
光検出器
64 kbps
光変調
光検出器
100 Mbps
光検出器
復調
復調
1Gbps
100 Mbps
64 kbps
1Gbps
復調
100 Mbps
64 kbps
波長多重光通信
光源
光源
光源
λ1
1本の光ファイバー
光変調
λ2
λ3
1Gbps
光検出器
64 kbps
光変調
100 Mbps
光変調
Wavelength
Multiplexer
1Gbps
100 Mbps
64 kbps
光検出器
光検出器
Wavelength
Demultiplexer
復調
1Gbps
復調
復調
100 Mbps
64 kbps
光通信の展望
光通信の今後は?
世の中の動向
・ 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)
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
TV電話
ビデオ配信用
サーバー
ホーム
スーパーハイビジョンTV
旧貸ビデオ屋さん
放送局
AＷＧ
ルーター
PON
ONU
家庭用ビデオサーバ
次世代光IPトランスポート網
大学
病院
ITネットワークの将来像
データは全て安全な
サーバーに保管
Web2.0のサービス
映画製作会社
街中の至る所で
BBでネットに接続
PCはHDDレス、CFメモリーのみに
100Mワイヤレスと10G Ether装備
PCは単なるデータ検索端末に
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、詠みたい時
聴きたい時にダウンロード
オンデマンドTV
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. 光ファイバーの伝送帯域について述べよ
(光ファイバーの伝送帯域は何で決まり、どの程度の帯域があるのか)
2. 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)
3. 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)
4. 「モードの数」のスライドの中の(1) 式を導出せよ
5. 波長多重(WDM)伝送方式について述べよ
(波長多重通信の構成、伝送可能帯域など)
提出〆切: 11月末
提出場所: 教務係