29年 第1回 「線路設備」



29_1_senro_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑫ ノンメタリック化
イ:③ WB
ウ:⑤ SZ撚り
エ:⑩ LAP

補足
IFケーブル(Induction Free Cable):テンションメンバにFRP(繊維強化プラスチック)などの非金属材料を使用することで誘電対策を施したケーブル
FRP(Fiber Reinforced Plastics:繊維強化プラスチック):、ガラス繊維や炭素繊維を複合して強度を向上させた合成強化プラスチック。
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

・地下用光ファイバケーブルの浸水検知モジュールによる浸水検知
地下用クロージャに設置された浸水検知モジュールは、浸水すると吸収膨張剤が膨張し可動部を押し上げて浸水検知用の光ファイバを曲げる。通信事業者ビルでは、OTDRによりファイバの曲げを検知することで浸水した位置を確認することができる。
sinsui_module.png

・SZ撚り:撚り方向を周期的に反転させることにより、どの部分の外被をはがしてもケーブルが取り出せる構造になっている
SZyori.png

・LAP(Laminated Aluminum PE)シース:アルミテープとポリエチレン外被を一体化して機械的強度及び防水・防湿性能を高めたシース(ケーブル外被)



29_1_senro_1_(2)i.png

(2)
(ⅰ)
答え:④
解説
①②③正しい
④ 光アイソレータは、電気光学効果による屈折率の変化(正:ファラデー効果による偏光面の変化)を利用して、入力側から出力側には光が通過するが、その逆向きの光の通過を妨げるものであり、反射戻り光を遮断することにより光源を安定化させることができる。

補足
・アレイ導波路回折格子(AWG)
長さの異なる複数の光導波路から構成された光合分波器。広帯域・高密度の光合波・分波が1つの導波路で実現できるため、DWDMのような高密度な波長多重システムの光合分波器として利用される。
AWG.png

・ファイバブラッググレーティング(FBG)
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

・光サーキュレータ
複数のポートにより構成され、下図のように、ポート1⇒ポート2、ポート2⇒ポート3、ポート3⇒ポート4、ポート4⇒ポート1といった入力・出力を実現する素子。光アイソレータでも使用されるファラデー効果を利用している。
circulator.png

・ファイバブラッググレーティングと光サーキュレータを組み合わせた光合分波器
FBGと光サーキュレータを下記のように構成すると、光伝送システムのAdd・Dropで使われるような伝送路から特定の波長光のみを取り出す光合分波器の役割に使うことができる。
circulator_FBG.png

・誘電体多層膜フィルタ
基板上に屈折率の異なる誘電体層を多段に積層し、特定の波長のみを反射させるようにしたもの。バンドパスフィルタ(特定の波長帯をフィルタリングするもの)などに使用される。
yuudentaitasoumaku.png

・光アイソレータ
一方向の光のみを通し、逆方向からの光を遮断する素子。ファラデー回転子と偏光子によって構成される。
光に磁界を与えると光の偏光状態が回転する性質(ファラデー効果)を利用している。ファラデー回転子(ファラデー効果の大きい金属)で偏光面を回線させ、その両側に置かれた偏光子の方向により透過・遮断を調整している。
isolator.png




29_1_senro_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:② Bのみ正しい
解説
A:誘導放出を利用する発光素子であるLED(正:LD)の発生光はコヒーレントであり、一方、自然放出を利用する発光素子であるLD(正:LED)の発生光はインコヒーレントである。
B:正しい
C:ファブリペロー形LD(FP-LD)は、2枚の反射ミラーを対向させて構成する単一(正:多)モードの発光素子であり、分布帰還形の発光素子(DFB-LD)は、活性層の近くに波状の回折格子を形成した(正:単一)モードの発光素子である。

補足
・インコヒーレント光とコヒーレント光
太陽光や蛍光灯の光は、たくさんの波長(周波数)の光の合成されており指向性が高くない光をインコヒーレント光という。一方で、レーザのように単一の波長(周波数)で位相が合っており高い指向性を持つ光をコヒーレント光という。
kohi_rent.png

・発光ダイオード(LED)と半導体レーザ(LD)の違い
LED(Light Emitting Diode)もLD(Laser Diode)もN型半導体とL型半導体のP-N接合によって作られており構造が似ている。LEDでは、PN接合部から発せられる光をそのまま放出しているが、LDは、活性層と呼ばれる両側を反射面に挟まれた層に何度も光を反射させることで位相を揃えてから放出している。そのため、LEDはインコヒーレント光が放出されるが、LDではコヒーレント光が放出される。

・ファブリペロー形半導体レーザ(FB-LD)と分布帰還型半導体レーザ(DFB-LD)の違い
FB-LD(Fabry-Perot LD)では、活性層に反射面を持たせた構造であるため位相は揃うが、波長はPN接合から発されたままのため、複数の波長(多モード)が発振される。DFB-LD(Distributed FeedBack LD)は、半導体と活性層の間に回折格子を設けた構造をしている。回折格子幅の2倍の波長の光が強め合うため、選択された波長のレーザ(単一モード)のみを発振する。
LED_LD_hikaku.png




29_1_senro_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:③
解説
① 光ファイバ中を伝わる光が外に漏れることとは別に、光ファイバ材料自身によって吸収され熱に変換されることにより生ずる損失は、吸収損失といわれ、吸収損失は光の波長に依存しない(正:依存する)
② 光がその波長と比較してあまり大きくない物質に当たったときに、その光が様々な方向に進んでいく現象により生ずる損失は、レイリー散乱損失といわれ、レイリー散乱損失は波長の2乗に比例(正:4 乗に反比例)する。
③ 正しい
④ 曲げられた光ファイバ中において入射角が臨界角以上となる光が放射されるために生ずる損失は、曲げによる放射損失といわれ、曲げによる放射損失はコアとクラッドの比屈折率差が大きいほど大きい(正:小さい)

補足
・損失の種類
sonsitu_seiri2.png

・各損失の発生イメージ
sonsitu_image2.png

光ファイバ固有の損失
・吸収損失:光ファイバ材料自身によって吸収され熱に変換されることにより生ずる損失。
 紫外吸収損失・赤外吸収損失:石英ファイバが本来もっている固有の吸収特性として、波長0.1μm付近にピークのある紫外吸収と、波長10μm付近にピークのある赤外吸収がある。

不純物による吸収損失:不純物による吸収損失のうち、いちばん影響の大きいのは、OH基(OH-:水酸イオン)による損失で、波長1.4μm付近で大きなピークになる。しかし、現在は光ファイバの低損失化技術が進んだため、ほとんど問題にならなくなっている

・散乱損失
 レイリー散乱損失:光ファイバ製造時の高温状態(約2000℃)で発生するファイバ内の屈折率のゆらぎが原因で、ファイバ内の光が散乱することにより発生する損失。レイリー散乱損失の大きさは光の波長の 4 乗に反比例する。
 構造の不均一性による散乱損失:光ファイバ製造時にコア・クラッド界面に微小な凹凸が残っていると光を乱反射し、損失を増大させてしまう。現在は光ファイバの低損失化技術が進んだため、ほとんど問題とならなくなっている

※光ファイバ損失の波長依存性
「光ファイバ固有の損失」のうち、ファイバ工法の改善により影響の少ない損失以外の「紫外吸収損失」、「赤外吸収損失」、「レイリー散乱損失」の波長依存性(どの波長でどれくらいの損失があるか)を表したグラフが以下になる。下記のグラフから、波長の1.55μm付近が一番損失が少ない波長帯であることがわかる。
sonsitu_hatyouizon.png


外的な損失
マイクロベンディング損失:側面からの圧力により光ファイバの軸がわずかに曲がることによっておこる放射損失。この損失を予防するためにファイバに被覆が施される。また、光ファイバの軸方向の収縮に起因する変形によっても生ずる。
曲げによる放射損失(マクロベンディング損失):光ファイバが曲げられたとき、全反射できる角度(臨界角)を超えてしまい光が放射されてしまい起こる損失。コア部とクラッド部の比屈折率差が小さいと発生しやすい。
接続損失:2本の光ファイバの接続時に軸がずれて接続されたり、ファイバ間に隙間がある場合に発生する損失。軸ずれの場合は、一方の光ファイバからの光が接続先のファイバに入射できずに漏れてしまい損失(放射損失)となり、隙間がある場合は、隙間の空気との屈折率の違いからフレネル反射が起こり、光の損失(反射損失)が発生する。
結合損失:発光素子や受光素子、コネクタなどとファイバとの結合の際に発生する損失。屈折率の違いなどからフレネル反射が起こる。

フレネル反射:屈折率の異なる物質の境界面で起こる反射のこと。光コネクタや発光/受光素子との接続部や、ファイバ接続時に隙間がある場合などに発生する



29_1_senro_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:②
解説
① 光ファイバに用いられる材料の波長に対する散乱係数(正:屈折率)が異なることにより生ずる分散は、材料分散といわれる。材料分散の値は、一般に、波長が長くなるほど小さくなる(正:大きくなる)
② 正しい
③ シングルモード光ファイバの波長分散の値の単位としては、一般に、ps/nm/kmが用いられる。例えば、10 ps/nm/km とは、スペクトル幅1 nm の光が10km(正:1km) 伝搬したとき、パルス幅が1 ps (正:10ps)広がることを意味する。
④ マルチモード光ファイバにおいて、各モードにおける群速度が異なることにより生ずる分散は、モード分散といわれる。モード分散の値は、一般に、材料分散や構造分散の値と比較して小さい(正:大きい)

補足
・分散の種類
bunsan_seiri.png
※マルチモード光ファイバでは、モード分散が支配的となり、波長分散については、あまり議論されない。

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。構造分散は、ファイバの屈折率分布を変えることで調整することができるので、この特性を利用して分散特性をコントロールしたファイバなどが開発されている。

・(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

・シングルモード光ファイバ特有の分散
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

・マルチモード光ファイバ特有の分散
モード分散: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
(※群速度:光の速度とは別に、モードがファイバの軸方向に進む速度を群速度という)

・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)GI(グレーデッドインデックス)型ファイバのモード分散への対処
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

分散の単位
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






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