30年 第2回 「線路設備」






30_2_senro_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑮ スペクトル幅1nmの
イ:⑨ 屈折率差
ウ:⑫ 構造分散
エ:① 和

補足
・分散の種類
bunsan_seiri.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、これらの分散のが波長分散の値となる。
-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。

・(参考)シングルモード光ファイバの分散
以下は、材料分散と構造分散の各波長での分散の大きさと、それの和である波長分散の分布を表している。
SMF_bunsan.png

材料分散の単位
材料分散は、[ps/nm/km](ピコ秒(10-12秒)/ナノ(10-9)メートル/キロメートル)で表される。

[ps]:パルス幅を表す(分散によって広がるパルス幅の大きさ)
[nm]:スペクトル幅を表す(波長が1nm違うときにどれだけパルス幅に影響を与えるか)
[km]:伝送距離を表す(伝送距離が1km伸びたときにどれだけパルス幅に影響を与えるか)

・波長単位の概念のイメージ
1nmの波長差があるパルスが1km先でどれだけのパルス幅(D[ps])が広がっているかを表している
bunsan_tani.png



30_2_senro_1_(2)i.png

(2)
(ⅰ)
答え: ③
解説
① シングルモード光ファイバの構造パラメータのうち、シングルモードとなる最短の波長を規定する構造パラメータは、開口数(NA)(正:カットオフ波長)といわれる。NA(正:カットオフ波長)で規定された波長より短い光は、マルチモードになる。

② WDM方式を用いた光ファイバ伝送システムにおける四光波混合による伝送品質の劣化を避ける方法の一つとして、ゼロ分散波長を伝送波長域に重ならないようにするために、カットオフシフト光ファイバ(正:非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF))といわれる光ファイバを用いる方法がある。
③正しい
④ 光ファイバの後方散乱係数(正:屈折率分布)を制御して、材料分散と構造分散を相殺させることにより屈折率分布を(正:分散値を0付近で)フラットに近づけた光ファイバは、分散フラット光ファイバといわれ、広い波長帯域において、一定の(正:低減された)波長分散を実現している。

補足
・光ファイバの構造に関連するパラメータ
fiber_pal.png

カットオフ波長(遮断波長):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。

開口数:入射光線がコア内で内部全反射するためにもてる最大角の度合い。
下記の図では、θの角度より小さい場合は、コア内を全反射して進める(黄色い矢印)が、θの角度が大きくなると、コア部から漏れてしまう(赤い矢印)。このθの値を最大受光角という。
このθに対して、開口数NAは下記のように表せる。
\( NA=sin\theta \)
kaikou_suu.png

・分散シフト光ファイバ(DSF)と、波長分散特性の調整について
 波長分散を構成する材料分散と構造分散のうち、材料分散は、光ファイバの材料となる石英ガラスに依存しているため、調整することが難しい。しかし、構造分散は、コアとクラッドの屈折率に依存する値なので、調整することが可能である。この特性を利用して、屈折率分布を変えて構造分散を調整し、波長分散の特性を用途に合わせた様々な分散制御型のファイバが存在する。
その一つに分散シフト光ファイバ(DSF)がある。
分散シフト光ファイバ(DSF)は、ゼロ分散波長(分散の影響が一番小さい波長帯)が1.3μmにある標準的なシングルモード光ファイバから、構造分散を調整することによって、ゼロ分散帯域を1.55μmにシフトさせたファイバである(1.55μm帯域は、ファイバの損失も最小となる波長帯であるため伝送品質上都合が良い)。分散シフト光ファイバの屈折率分布は、セグメントコア型と呼ばれる形状で調整されている。
shift_fiber_bunpu.png

・分散制御光ファイバの種類
構造分散の調整(屈折率分布の調整)により分散特性を変えた光ファイバは、ほかにも多数あるが、主なものとして以下のようなものがある。
・分散フラット光ファイバ(DFF):材料分散と構造分散を相殺させるような形で構造分散を調整することで1.3~1.6 μmの広い波長帯域にわたって分散値を低く抑えたファイバ。
・非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF):WDMのような複数の波長を使うシステムでは、分散を0にしてしまうと、
非線形光学効果である四光波混合の影響が大きくなってしまう。そこで1.55μm帯で分散値をゼロ付近にしている分散シフト光ファイバ(DSF)から、ゼロ波長帯を若干ずらした非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF)が使われる。
bunsan_seigyo_fiber.png

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。


カットオフシフト光ファイバ:カットオフ波長を1.55nm波長帯にシフトした光ファイバ(通常のシングルモード光ファイバは、これよりも小さい波長帯のカットオフ波長をもっている)



30_2_senro_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:② Bのみ正しい
解説
A:アクセス系光ファイバケーブルの光ファイバ心線は、一般に、外径0.25 mm のほかに作業性の向上を意図した外径0.5mm のものが用いられている。外径0.5mmの光ファイバ心線は外径0.25 mm の心線を被覆除去した状態と同じ状態に被覆除去できないため(正:被覆除去できるため)、外径0.25 mm の光ファイバ心線用と異なる(正:同様の)専用の接続用部材が用いられている。
B:正しい
C:クマゼミ対策として用いられるドロップ光ファイバケーブルは、外被が高強度化されているため、テンションメンバは備わっていない(正:備わっている)

補足
0.5mm光ファイバ心線について
FTTHのようなアクセス網の光開通工事をする際、接続作業(融着接続・メカニカルスプライス)などの作業を行う場合に0.25mmファイバ心線では細すぎるため取り扱いが難しく、見えづらい。そのため、このような領域で外径を0.25mmから0.5mmに補強したファイバ心線が使われる。外径を0.5mmにすることにより、視認性、識別性、取り扱い性が向上し、光開通工事が簡易化・時間短縮できる。0.5mm心線は、従来の0.25mmに被覆が追加された形となっているため、被覆除去することで、0.5mmから0.25mm心線に変換することが可能で、0.25mmで使われる接続部材を適用することができる

HSケーブル(High Strength Cable):ステンレステープで外被が保護されたケーブル。キツツキや鼠、リス等の鳥獣害対策が使われる。
WBケーブル(Water Block Cable):浸水を防止するためのケーブル。外被の一部に吸水材料が使われており、浸水すると吸水材料が膨張しケーブル内部との間に遮水層を形成することによりそれ以上の浸水を防止する
FRケーブル(Frame Retardant Cable):難燃性を持たせたケーブル

クマゼミによる光ファイバ心線の断線故障:西日本に生息するクマゼミは、枯れ木の内部に産卵するが、光ファイバケーブルと枯れ木を間違えて光ファイバケーブルの内部に産卵してしまい、光ファイバの心線を傷つけ通信障害を発生させる。対策としては、外被がステンレステープで強化されたHSケーブルを使うなどがある。




30_2_senro_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:④
解説
① PLC(石英系プレーナ光波回路)を用いた8分岐光スプリッタは、Y分岐を多段接続して構成されており、8分岐光スプリッタの原理的な光損失は、6 dB(正:9dB) である。
② 8分岐を超える光スプリッタには、PLC型(正:ファイバ溶融型カプラ)と比較して小型化及び集積化が容易なファイバ溶融型カプラ(正:PLC 型) が用いられている。
③ GE-PONでは、上りの光信号と下りの光信号に異なる波長が用いられており、透過できる波長帯域が1.49μm帯~1.65μm帯(正:1.31μm 帯~1.55μm帯)である光スプリッタが使用されている。
④正しい

補足
・スプリッタ(別名:カプラ/光合分波器):入力された光を分岐したり、一つにまとめたりするパッシブ素子(電源を必要としない素子)。もともと、スプリッタは光の分岐、カプラは光の結合をするための素子の名前だが、入力と出力を逆方向に使えば互いに同じ機能となるため同じものを表すことになる。

・PLC型スプリッタ
PLC(石英系プレーナ光波回路)型スプリッタは、Y 分岐の導波路が多段接続された構成をしており、8分岐を超えるスプリッタで主に使われる。
PLC_splitter.png
・8分岐のPLC型スプリッタの光損失
一般的に光が2分岐されると、光パワーが半分になり3dB減少する。2分岐のY分岐が3段構成されていることになるので、原理的に3dB×3=9dBの光損失が起こる。


・ファイバ溶融型カプラ
複数本の光ファイバを溶融して接合したスプリッタ
fiber_splitter.png

・ファイバグレーティング
光ファイバの長尺方向に周期的な屈折率変化を持たせることにより、回折格子として働かせたもの。特定の波長のみを反射させることできるので、フィルタリング機能として使われる。
fiber_grating.png



30_2_senro_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:②
解説
① 3R機能を有する再生中継器を用いた光中継伝送システムでは、中継器数の増加により雑音は累積されないが波形劣化は累積され、SN比が低下する要因となる(正:雑音および波形劣化は蓄積されず、SN比も低下しない)
② 正しい
③ WDM方式を用いた光中継伝送システムにおける光信号の波形劣化要因である非線形光学効果として、自己位相変調(正:相互位相変調)、四光波混合などがある。自己位相変調(正:四光波混合)を抑える方法としては、使用波長を不等間隔で配置する方法がある。
④ WDM方式を用いた光中継伝送システムにおける雑音としては、発光源雑音、入力光信号の持つ量子雑音であるショット雑音、受光素子(正:光増幅器)での誘導放出によるASE雑音などがあり、SN比が低下する要因となる。

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が、波長の異なる複数の光信号の一括増幅することが可能である。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


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。
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。

・WDMシステムにおける四光波混合
WDMでは波長の違う複数の光がファイバ中を通るため、四光波混合が発生する。四光波混合で発生したアイドラ光が通信で使われている波長だった場合、その波長でのノイズとなりS/N比が劣化し通信品質を下げることになる。WDMシステムの通信で使う波長を等間隔で使った場合、アイドラ光が通信光の波長とぶつかることが知られており、これを防ぐ対策として、使用波長を不等間隔に並べることがあげられる。また、四光波混合は、分散がない場合に強く発生するため、使う波長帯からゼロ分散帯をずらした、非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF)を使用するなどの対策もある。

・ショット雑音:受光デバイスで生ずる雑音。光を一定のパワーで受光していても,光子としてとらえた場合にはその到着時間間隔が一定ではないために生ずる雑音。

・光ファイバ増幅器(線形中継器)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。






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