令和元年 第2回 「線路設備」



31_2_senro_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑦ 1Gbit/s
イ:⑥ TDM
ウ:⑭ LLID(Logical Link ID)
エ:⑪ DBA

補足
・GE-PONの構成
PDS2.png
構成機器
ONU(Optical Network Unit):ユーザ宅内に設置される光終端装置。光ファイバによるGE-PONの通信を終端し、Etherなどの電気信号に変換する装置
OLT(Optical Line Terminal):通信事業者の局舎側に設置される光終端装置。一つの光ファイバに最大32台のONUを収容することができる。
光スプリッタ:電線上などに設置され、OLTを複数のONUに接続するために光信号を分岐・合流する装置

・PONの伝送方式
PONは、上りは、TDMA方式、下りは、TDM方式が使われる

TDM(Time Division Multiplexing:時分割多重):一つの伝送路を時間で区切って複数のタイムスロットを作り、異なる信号をそれぞれのタイムスロットに格納し多重伝送をする技術。
TDMA(Time Division Multiple Access:時分割多元接続):TDMを応用して、一つの伝送路を複数のユーザーで同時利用する方式

LLID(Logical Link ID):GE-PONのプリアンブル部に格納され、OLTに接続されたONUを識別するためのID

・FBAとDBA
複数のONUに上り帯域を分配する方法として、FBADBAの2つの方式がある。GE-PONでは、DBAが使用される
FBA(Fixed Bandwidth Allocation):問題文の固定帯域割当の事。接続されているONUの数で配分する方式。通信していないONUがいてもそのONUが割り当てられた帯域は未使用となるため、帯域の使用効率が悪い。
DBA(Dynamic Bandwidth Allocation):通信を行っているONUで帯域を分配する方式。FBAと比べ、通信していないONUの未使用帯域を他のONUに分配できるため、帯域の使用効率が良い。
FBA_DBA.png



31_2_senro_1_(2)i.png

(2)
(ⅰ)
答え:② Bのみ正しい
解説
A:光ファイバは屈折率分布の違いにより、コアとクラッドの間で屈折率分布が放物線状に変化しているステップインデックス型(正:グレーデッドインデックス型)光ファイバとコアの屈折率分布が階段状に変化しているグレーデッドインデックス型(正:ステップインデックス型)光ファイバに大別される。
B:正しい
C:光ファイバにおける主な分散として、マルチモード光ファイバにおいては偏波モード分散及び構造分散(正:モード分散)があり、シングルモード光ファイバにおいてはモード分散及び材料分散(正:偏波モード分散および、波長分散(構造分散と材料分散)がある。

補足
・シングルモードファイバとマルチモードファイバ
single_multi_fiber.jpg

・SI(ステップインデックス)型ファイバとGI(グレーデッドインデックス)型ファイバの屈折率分布
マルチモード光ファイバには、とSI(ステップインデックス)型とGI(グレーデッドインデックス)型の2つがある。
SI(ステップインデックス)型は、コア部の屈折率が一定で階段状の屈折率分布を持っている。GI(グレーデッドインデックス)型は、SI型で問題となるモード分散の影響を最小限にするために、屈折率分布を放射線状に変化させた構造になっている。

GI_SI_fiber_bunpu2.png

・(参考)モード分散とGI(グレーデッドインデックス)型ファイバ
マルチ光ファイバは、複数の光の経路(モード)を持っている。モードのうち、入射角度の小さい光の経路(低次モード)は、反射回数が少なく進行方向に対して短い経路を取ることができるため到着時間が早くなる。逆に入射角度の大きい光の経路(高次モード)は、反射回数も多くなり進行方向に対して長い経路を取ることとなり到着時間が遅くなる。このように、光パルスを複数のモードに分けて伝送する際に到達時間に幅が出来てしまい、光パルスの品質が悪くなる現象をモード分散という。
mode_bunsan.png

GI(グレーデッドインデックス)型ファイバは、コアの中心の屈折率を大きくし、コアの外側に行くほど屈折率を小さくした構造をしている。このような構造により、低次モードはコアの中心を全反射して進み、高次モードはコアの外側を全反射進む。光の伝搬速度は、屈折率に反比例する性質を持っており、低次モードの光は伝搬速度が遅くなり、高次モードの伝搬速度は速くなる。この性質をうまく調整することで、低次モードから高次モードまでの到着時間の差をなるべく小さくすることでSI型で問題となっていたモード分散への対処が可能となる。(現在使われているマルチモードファイバのほとんどがGI型になっている。)
GI_fiber_mode.png

・シングルモード光ファイバのパラメータ
モードフィールド径:シングルモード光ファイバでは、コア部からクラッド部に漏れ出して反射して進む光があり、漏れ出す量としても無視できない。そのため、光ファイバの性質を表す上で、コア径ではなく光の漏れを考慮した直径であるモードフィールド径が有用なパラメータとして利用される。シングルモード光ファイバでは、ファイバを断面的に見た場合、コアの中心を中心軸としてみた場合のガウス分布に近似した形で光強度が分布される。モードフィード径は、このガウス分布が1/e2になる場所を境界としたときの直径となる。
MFD.png
カットオフ波長シングルモード光ファイバでは、波長が短くなるとマルチモードでの通信になってしまう。シングルモードとマルチモードの境目となる波長をカットオフ波長といい、シングルモードで伝搬できる最短の波長として定義される。

・シングルモード光ファイバの分散
偏波モード分散:光ファイバ中を直行する2つの偏波モード間において、群速度に遅延差が発生することによる分散。光ファイバ内のわずかな歪みから複屈折の影響から発生する。10Gbit/s以上の高速・長距離で問題になることがある。
henpa_mode_bunsan.png

波長分散:光信号に使用される光は、単一の波長ではなく、厳密にはある程度の幅を持った波長である。この波長の幅によって引き起こされる分散を波長分散という。波長分散は、更に材料分散と構造分散に分けられる。
-材料分散:均一な媒質中であっても光の波長によって屈折率が異なるために伝搬速度に差がでてしまう。光が進んで行くに従い、屈折率の違いにより徐々に広がってしまう現象を材料分散という。
-構造分散:光ファイバのコア部とクラッド部の境界面で全反射するときに光がクラッド部分へしみ出す。構造分散は、このしみ出る割合が波長により異なるために生じる。




31_2_senro_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:③
解説
①②④正しい
③ 四光波混合は、波長の異なる四つ(正:3つ)の光が光ファイバに入射したとき、干渉により四つの光の強度が変化する(正:新しい4つ目の光が発生する)現象である。

補足
非線形現象:
四光波混合:光ファイバ中に、3つの異なった波長の波を入射した際に、3つの光の波長とは異なる4つ目の光(アイドラ光)が発生する現象。アイドラ光がS/N比(信号、雑音比)の劣化をまねく。
自己位相変調:光が自分自身の光強度に起因する屈折率変化により位相が変化する現象。波長分散と相互作用し波長が歪み、通信品質に影響を与える。
相互位相変調:波長の異る光がお互いに作用し、互いに位相が変化する現象。




31_2_senro_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:②
解説
①③④正しい
② 線形中継システムに用いられる線形中継器は、再生中継器と異なり、タイミング抽出機能はなく、等化増幅機能及び識別再生機能(正:タイミング抽出機能および識別再生機能はなく、等化増幅機能がある)がある。

補足

・増幅器について
線形中継器:受信した光パルスを電子信号に変換せずに増幅行う中継器。光信号をそのまま増幅するため、累積したひずみや雑音などを整形することはできない。3R機能のうち、等化増幅のみを行う。
再生中継器:受信した光パルスの有無(1,0)を判別し、新しい光パルスを再現させて送信する中継器。この中継器を通すことで、累積したひずみや雑音をリセットできる。再生中継器は、3R機能とよばれる3つの機能を持っている。

中継器の3R機能
3R.png

・等化増幅(Reshaping):減衰し歪んだ波形を、パルスの有無(1,0の判別)が識別できる程度まで増幅する機能
・リタイミング(Retiming):等化増幅された信号パルスからタイミングパルスを抽出する
・識別再生(Regenerating):等化増幅された信号から1,0の情報を判別し、リタイミングされたタイミングパルスに乗せて、識別した信号を送出する

・光ファイバ増幅器で発生する雑音
下図は、光ファイバ増幅器(エルビウムドープ光ファイバ増幅器)の入力と出力の光パワーと光スペクトルを比較したものである。増幅後の出力を見ると、光信号である1550nmに加えて、広帯域なスペクトルが付加されている事がわかる。これは増幅時に副次的に発生する自然放出光に起因するものでAES雑音と呼ばれる。
AES雑音による雑音指数は、反転分布が完全に実現された理想的な場合、3dBになる。
anp_spectrum2.png

ASE(Amplified Spontaneous Emission:自然放射増幅光):増幅器の中で発生した自然放出光が増幅されたもの。

雑音指数:増幅回路等における、入力S/Nと、出力S/Nの比を表す値。
入力側をSi/Ni、出力側をSo/Noとしたとき雑音指数Fは、
\( F=\frac{S_i/N_i}{S_o/N_o} \)
と表せる。

反転分布:原子の粒子のうち、エネルギー順位が基底状態の粒子数よりも励起状態が多い状態の粒子数が多い分布状態。光ファイバ増幅器では、反転分布を作りだし、誘導放出を発生させることで光増幅を行っている。



31_2_senro_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:④
解説
① EDFAは、一般に、エルビウム添加光ファイバ、励起光源、光変調回路、信号光と励起光を合分波する光アイソレータ(正:エルビウム添加光ファイバ、励起光源、光アイソレータ、信号光と励起光を合分波する光合分波器)などから構成される。
② EDFAの励起光源としては、一般に、高出力動作を目的とする場合は1.65μm帯(正:1.48 μm 帯)のLDが用いられる。
③ EDFAは、一般に、相互変調ひずみが生じやすく、ビットレート依存性があるため(正:変調やビットレートの依存性は少なく)、異なる多数の波長を同時に増幅する場合、波長ごとに個別のEDFAを設置する必要がある(正:1つのEDFAで対応することができる)(※異なる波長とは、一つの波長帯の中で多数の波長を波長多重している場合の事。波長帯が異なる場合(例えば、1.55帯と1.31帯の場合など)は、別々の増幅器が必要になる)
④正しい

補足

EDFA(Erbium Doped optical Fiber Amplifier:エルビウム添加光ファイバ増幅器)の仕組み:
石英ファイバにエルビウムイオンを添加した光ファイバを利用して1.55μm帯の光信号を増幅する装置。エルビウムイオンは、1.48μmおよび0.98μmの波長帯の光で励起し、誘導放出時に1.55μm帯の光を放出する性質を持っている。そのため、EDFAでは、励起光源として、1.48μmまたは0.98μmを使い、反転分布(励起状態)を作り出し、通信路から1.55μm帯の光が入ってくると、その光により誘導放出が発生し、1.55μmタ帯の光が増幅される。

EDFA_detail.png


1.48μm帯と0.98μm帯の励起光源の違い
 1.48μm帯の励起光は変換効率が高い特徴があり、0.98μm帯の励起光は変換効率は低いものの、雑音指数が低い特徴がある。
 そのため、高出力が要求されるブースターアンプでは1.48μm帯が、雑音を抑えたいプリアンプでは、0.98μm帯の励起光が使われる傾向にある。
 ・ブースターアンプ:送信側に設置され、伝送距離を延ばすため使用される。高出力なアンプが利用される。
 ・プリアンプ:受信側に設置され、伝送されてきたパルスを認識できるレベルまで増幅するためのアンプ。出力は比較的小さいが、雑音指数が小さいものが利用される。
 ・インラインアンプ:線路上の中間で減衰したパルスを増幅するためのアンプ。ブースターアンプとプリアンプの中間の性能のものが利用される。






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