先端教養科目：最新の電子情報技術

H24.11.14
最新の電子情報技術
光通信の話
工学研究科電気電子情報工学専攻
井上 恭
情報伝達は何らかの媒体/物理量を介して行われる
（音声）
（糸電話）
（トランシーバー）
（黒電話）
現在の通信システムの伝達
媒体は主に光ファイバ
伝達される情報はもっぱらデジタル信号
物理量（電圧など）
アナログ信号
デジタル信号
時間
1 1
0
1 1
1
0
1
「ビット」
時間
利点：波形が崩れても元に戻せる → 情報伝達に便利
様々な信号処理が可能
→ 計算機を代表とする情報処理
１秒当りのビット数が多いほど伝達情報量は多い
情報通信量の単位：bps (bit-per-second)
ちなみに、ブロードバンド（Broad
送られるビット列のパターンは様々。
Band）とは
基本周波数
「１０１０１０１０」
f0
時間
f0
2
「１０００１０００」
時間
f0
4
「１０００００００」
時間
・
・
・
成分数
一般の信号は様々なパターンの組み合わせ ＝ 多数の周波数成分の重ね合わせ
周波数
・
・
・
だから、周波数範囲が広いほどたくさんの情報が送れる。
時間
成分数
成分数
時間
0
周波数
0
ブロードバンド信号
周波数範囲（バンド）の広い（ブロード）信号
＝
情報量の大きい信号
ブロードバンドサービス
情報量の大きい通信サービス
周波数
光通信は古くからあった
のろし
（伝達媒体は空間）
信号灯
が、本格的な通信システムは電気から
無線通信
電話線（銅線）
ビット情報を運ぶ物理量は電気の振動（電磁波）
「０」
「１」
「１」
「０」
「１」
「０」
振幅変調（ＡＭ）
時間
「０」
「１」
「１」
「０」
「１」
「０」
周波数変調（ＦＭ）
なお、１秒間あたりの振動数 ＝ 周波数 （ヘルツ, Hz)
基本周波数が高いほど情報伝達には有利
「０」
「１」
「１」
「０」
「１」
「０」
基本周波数：高
時間
「０」
「１」
「０」
基本周波数：低
周波数多重伝送
ch.1
ch.2
ch.3
周波数
そこへ、光通信研究が登場
レーザーの発明（1960年）
最初のレーザー発振器
◆周波数の高い電磁波を出力
◆単色性
◆指向性が良い
電磁波の周波数
104
106
108
1010
1012
1014
1016
1018
周波数(Hz)
名称：
長波 中波 短波 超短波 マイクロ波 ミリ波 赤外線 可視光線 紫外線 Ｘ線
高い周波数 → 情報伝送量：増大の可能性
単色性
太陽光
プリズム
レーザー
プリズム
多チャンネル化の可能性
指向性
光エネルギーの有効利用
レーザー
He-Neレーザーを使った空間光通信実験＠霞ヶ関ビル
But、これだけではまだ足りない
こんな研究もあった
レンズ導波管
当然、無理
ブレイクスルー１
実用向き光源の登場
半導体レーザーの室温動作（1970年）
ブレイクスルー２
光伝送用の伝送媒体登場
低損失な光ファイバの実現（1970年）
損失 (dB/km)
損失L
0 dB
10 dB
20 dB
30 dB
透過率T
1.0
0.1
0.01
0.001
T  10  L / 10
年
これらを契機に、光通信の研究が本格化
では、光ファイバとは
光が屈折率の違う境界面で全反射しながら伝搬
光ファイバの一番の特長は低い伝搬損失
散乱や吸収のために光が減衰
1kmあたり約 0.2dB （透過率 95.5%）
10kmあたり約 2dB （透過率 63%）
一方、同軸ケーブル（銅線）に電気信号を通す場合、
周波数が高いほど伝搬損失が大きくなる。
ex. 10dB/km for 10MHz
光ファイバ伝送系
送信器
同軸ケーブル伝送系
送信器
受信器
中継器
中継器
中継器
受信器
ついでながら、光通信についてよくある誤解
「光は速いから通信に向いている」 （光速は高速）
がしかし、
スピードが速いからといって情報量が多いわけではない。
単位時間当たりに送れるビット数は同じ。
そもそも、電磁波の伝搬速度は大体みな同じ。
光ファイバの低損失性を活かすべく研究が進展
損失 (dB/km)
光ファイバの損失の波長依存性
1.2
0.8
第二世代
0.4
第三世代
0
1.0
1.2
1.4
波長 (mm = 10-6 m)
1.6
0.8mm帯
伝送
1.3mm帯
伝送
低損失
光ファイバ
分散シフトファイバ
光変調器
室温発振
半導体レーザ
1.5mm帯
WDM伝送
1.5mm帯
単一伝送
光増幅器
光導波路
（AWG等)
単一モード半導体レーザ
年代
1970
1980
1990
最初は0.8mm帯： 当初は、長波長帯が低損失であることが分かっていなかった。
最初の室温発振半導体レーザが0.8mm帯だった。
次に1.3mm帯： 第２の低損失帯。
通常シングルモードファイバの分散＝０。
ファイバ伝送では、損失の他にも分散が重要な要因
分散： 波長によって伝搬速度が異なる性質
１パルスが複数の周波数成分から成っていると、
連続パルス列だと、
通常ファイバは波長1.3mmで分散ゼロ
通常ファイバ
コア
クラッド
分散値 (ps/km/nm)
通常ファイバ
分散シフトファイバ
分散フラットファイバ
波長 (mm)
しかも、普通の半導体レーザーは複数波長光を出力
ファブリペロー型半導体レーザ
しかしやはり、1.5mm帯（最低損失波長帯）へ
分散シフトファイバの開発
屈折率
半径方向
単一波長出力半導体レーザの開発
DFB型半導体レーザ
さらに、光ファイバ増幅器の開発
～伝搬損失の克服～
光ファイバ増幅器
信号光
1.55mm
光結合器
ポンプ光レーザ
エルビウムイオン添加
ファイバー（数m～数十m）
利得：1000 ~ 10000倍
さらに、波長多重伝送技術の開発
～低損失波長帯の有効利用～
損失 (dB/km)
1.2
0.8
0.4
0
1.0
1.2
1.4
1.6
波長 (mm)
光受信器(l1)
光送信器(l1)
光送信器(l2)
光送信器(l3)
光送信器(l4)
光
合
波
器
一括増幅
光
分
波
器
光受信器(l2)
光受信器(l3)
光受信器(l4)
情報伝送量の変遷
伝送容量（Gbit/s）
100
波長分割多重
（WDM）伝送
10
単一波長
伝送
1
0.1
0.01
1970
光ファイバ
半導体レーザ
1980
year 1990
光ファイバ増幅器
2000
さらに、波長を利用した経路設定
～単なる信号伝送からの進化～
光ファイバ通信は現在の通信システムの屋台骨
光通信の話
おしまい
このスライドはホームページに掲載
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