令和3年 第1回 「線路設備」



33_1_senro_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑨ 消光比
イ:⑫ チャーピング
ウ:⑭ 逆バイアス電圧
エ:② ポッケルス

補足
消光比:光で1と0(ON/OFF)を表す際のONとOFFの光強度の比の事。十分な消光比がないとONとOFFの認識ができなくなるため通信品質の劣化に繋がる。一般に変調速度が速くなり高速にON/OFFを切り替えた際、OFF時に光が残ってしまうため消光比の値が低くなる。

直接変調:半導体レーザ(LD)に対して、信号(印加電流)を直接入力して強度変調する方式。直接変調する場合、数GHz以上の高速で変調を行うとチャーピングと呼ばれる光波長(光周波数)が変動する現象が起こり光のスペクトルが広がってしまい信号の劣化が激しくなる。一般に、直接変調は、一般に、10GHz程度までの変調に制限される。

外部変調:半導体レーザに対して外部から変調を加える方式。数十GHz以上の高速変調が可能である。
henchouki.png

・外部変調器の種類
外部変調器は、無変調された光を透過/遮断させることでON/OFFの強度変調を作り出す。
EA変調器(Electro-absorption:電界吸収型変調器):電界吸収効果を利用した光変調器。ダブルヘテロ型のpn接合(pn接合の間に別の層を挟んだ構成)に逆バイアス電圧をかけると、その強度によって特定の波長の光が吸収される性質を利用している。電圧が低いときは、長い波長帯に吸収特性を持っており、入力信号を吸収して光を遮断する(光信号OFF)。電圧を高くすると、短波長に吸収特性がシフトし、入力信号を吸収しなくなり光を透過する(光信号ON)。
一般的にLN変調器と比較すると小型にできるが、チャーピング特性は劣るため、長距離通信には向かない。
EA_hentyou.png

LN変調器:LiNbO3結晶(ニオブ酸リチウム)のポッケルス効果(電気光学効果)による屈折率変化を利用した光変調器。主要部分は、真ん中で2つの経路に分けられた導波路を電極で挟んだ構成をしている。電圧を印加していない場合は、光は透過するが(光信号ON)、電圧が印加されると、ポッケルス効果の影響で電極に挟まれた導波路の屈折率が変わり光の速度が変わるため、2つの経路で位相差ができる。電圧量と導波路の長さが計算され、分波された光がπの位相差を持って出てくるため、合波部分で打ち消され光は出力されなくなる(光信号OFF)。
LN_hentyou.png

・EA変調器とLN変調器の比較
駆動電圧伝送速度大きさ
EA変調器(電界吸収効果)低い10Gbit/s小型
LN変調器(電気光学効果)高い10~40Gbit/s大型


ポッケルス効果:物質に対して外部から電圧を加えると、屈折率が変化する現象。屈折率は加わる電圧に比例する。LN変調器で使われているLiNbO3は、ポッケルス係数(電圧量に対して屈折率の変化量)が大きい。

・pn接合の種類
ホモ接合:p型半導体、N型半導体が同じ材質で接合されている
ヘテロ接合:p型半導体、N型半導体が異なる材質で接合されている
ダブルヘテロ接合:材質の異なるp型半導体、n型半導体の間に更に異なる材質の半導体が挟まれて接合されている



33_1_senro_1_(2).png

(2)
答え:④
解説
① CWDMの波長間隔は、20 nm 程度とDWDMの波長間隔より狭く(正:広く)、一般に、伝送距離が100 km 以上(正:50km程度)の無中継伝送路に適している。

② 伝送路の長距離化に用いられる光ファイバ増幅器は、一般に、送信側における送信出力光の強度を増大するためのプリアンプ(正:ポストアンプ)、伝送路における中継増幅器、受信側における受光感度を改善するためのポストアンプ(正:プリアンプ)として用いられている。

③ CWDMの長距離化に用いられる並列増幅型の光ファイバ増幅器には、CWDMの短波長と長波長それぞれを4チャネルに分波し、短波長の4チャネルをCバンド・Lバンド一括増幅部で増幅し、長波長の4チャネルをSバンド・Cバンド一括増幅部で増幅して、(正:Cバンド、Lバンド、Sバンドにそれぞれ分波し、それぞれのバンドで一括増幅して)再び合波し出力するものがある。
④ 正しい

補足
WDM(波長分割多重:Wavelength Division Multiplexing):1心の光ファイバに複数の波長を多重・分離することにより複数の光信号や上りと下りの光信号を同時に送受信可能とする光通信方式。WDMは波長の密度によって、CWDM (Coarse WDM)DWDM (Dense WDM)の2種類が存在する。

波長密度波長波長間隔(周波数間隔)波長数伝送距離コスト用途
CWDM粗い1.29μm~1.61μm20nm 間隔最大16波長短い(50km程度)安い同一都市の拠点間
DWDM1.55μm
(193.1THz)
12.5GHz、25.0GHz、
50.0GHz 又は 100GHz
最大1000波長程度長距離高い都市間・国家間

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ポストアンプ(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。

・設置位置によるアンプの分類
 ・ポストアンプ(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。
anp_syurui.png

・並列増幅型の光ファイバ増幅器
heiretu_anp2.png

・光信号に使用される波長(バンド)
バンドの種類波長
Oバンド1260~1360(nm)
Eバンド1360~1460(nm)
Sバンド1460~1530(nm)
Cバンド1530~1565(nm)
Lバンド1565~1625(nm)



参考:NTT技術ジャーナル:広帯域光ファイバ増幅技術の概要(https://www.ntt.co.jp/journal/0410/files/jn200410008.pdf



33_1_senro_1_(3).png

(3)
答え:②
解説
① メタリック平衡対ケーブルの損失は、周波数が高くなるに従い増加する特性を示し、4 kHz 程度までは緩やかに増加し、100 kHz を超えるとファラデー効果(正:表皮効果)によって急激に増加する。
② 正しい
③ メタリック平衡対ケーブルにブリッジタップが存在すると、ブリッジタップの先端部分は短絡(正:開放)されているためループ抵抗が生じ、特に、ADSL回線では、伝送速度が低下する要因となる場合がある。
④ 光ファイバケーブルでは、伝送媒体であるガラスが無誘導である特性を生かし、誘導対策用としてテンションメンバなどの構成材料を全てノンメタリック化したWBケーブル(正:IFケーブル)が用いられている。

補足
・表皮効果
 導線に交流電流を流す際、周波数が高くなるほど、電流が導線の表面に偏って流れる現象。高周波になると中心には付近は、ほとんど流れなくなり、電流が流れる面積が小さくなるため、見かけ上、抵抗値が高くなる。この効果により高周波数帯でのメタルケーブルによる伝送は大きく制限を受ける。
hyouhikouka.png

・周波数と抵抗値の関係
下図は、周波数の増加に対して導体の抵抗値がどのように変化していくかを表わしたグラフ。(縦軸は抵抗値の倍率/横軸は周波数(対数グラフ))。
実線は、単線の導体、点線は、同心撚り線の値を表している。単線は、表皮効果の影響、同心撚り線は、表記効果に加えて近接効果の影響で周波数に応じて抵抗値が増えているのが見て取れる。
hyouhi_graph.png

・誘導雑音
送電線に流れる電流によって隣接する通信に電圧が生じ、通信障害などの悪影響を与える現象。誘導雑音には、電磁誘導と静電誘導の2つがある。
・電磁誘導:送電線に流れる交流電流により発生した磁界が、通信線に作用し誘導電流を発生させ、その電流が電磁誘導電圧を発生させる。
・静電誘導:送電線に印加されている高電圧により発生する。送電線と通信線がそれぞれ大きな電極となりコンデンサとして作用し、さらに通信線と大地との間も同様にコンデンサとして作用するため、送電線-通信線-大地が直列のコンデンサの回路となる。送電線の交流電圧に対して送電線-通信線間と通信線-大地間でそれぞれ分圧が起こり、通信線-大地間の電位差により静電誘導電圧が発生する。
yuudou.png

・漏話雑音
他の心線から電流が誘起あされて生ずる雑音。遠端漏話と近端漏話の2つが存在する。
遠端漏話:誘導回線の電流の方向と同じ方向へ誘起電流が伝搬される(送信用回線から送信用回線に漏話する)
近端漏話:誘導回線の電流の方向と逆方向へ伝搬される(送信用回線から受信用回線に漏話する)
ISDN回線からADSL回線に漏話が発生する場合、近端漏話の影響が大きく、遠端漏話は大きい問題とならない。
rouwa2.png

・手ひねり接続:手によって接続部にねじり合わせて接続する方法。振動などで接合部が変動し電気抵抗が変化し雑音が生じてしまう。対策としては、手ひねり接続に加えてはんだ接続を行い、接合部の強度を高めるなどの方法がある。

・ブリッジタップ
平衡対ケーブル(メタル心線)を敷設する際、ケーブルをあらかじめ複数方向に枝分かれ配線している部分のことをブリッジタップという。ケーブル布設時は、将来の加入者の増加を見込むため、ブリッジタップの先が開放された状態になっている(ユーザに接続されていない状態)。音声通話として利用する場合では問題にならないが、ADSL通信として利用する場合は、開放されたブリッジタップで反射が発生し、ノイズとなり通信品質を下げてしまう。
bridge_tap.png

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止水ダムを形成することによりそれ以上の浸水を防止する

・WBケーブルの止水イメージ
WB_cable2.png





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(4)
答え:④
解説
①②③正しい
④ 光の平面波が均一な媒質中を伝搬する場合には、一般に、光信号の群速度は光の伝搬速度の2乗に比例し(正:に比例し)、群速度と位相速度との積は媒質中の光の伝搬速度と等しい(正:の2乗に比例する)

補足
・臨界角
屈折率n1の物質から屈折率n2の物質に光が入射するとき、n1>n2の場合、入射角φ1の角度を次第に大きくしていくと、屈折していた光が全反射するようになる。この屈折と全反射の境界の入射角φ1を臨界角といい、屈折角φ2=90°になった状態の入射角φ1の事と言い換えることもできる。

kussetu2.png


・ブラッグ反射
周期的に並んだ格子上の粒子に対して光が入射した際、特定の波長のみが反射する現象。反射する波長は、格子間の距離に依存する。
Bragg_ref.png

・フォトニックバンドギャップ光ファイバ
ブラッグ反射を利用した光ファイバ。ファイバに周期的に空孔を開けることでコアを作り、ブラッグ反射により光を閉じ込めるて伝搬することができる。
PCF2.png

・シングルモード(SM)光ファイバとマルチモード(MM)光ファイバ
伝搬モードとは、光ファイバケーブル内を光が通る経路数のことをいう。経路(モード)を1つしかもたないファイバをシングルモード光ファイバ、経路(モード)を複数持つファイバをマルチモード光ファイバという。反射回数が少なく、伝送先に一番早く到達する経路を0次モードといい、入射角を変え経路が長くなるにつれて、1次、2次…と増えていく。
single_multi_fiber.jpg


・光の伝搬速度:高速。真空中を進む光の速さ。c≒3.0×108[m/s]
・位相速度:光の位相が伝わる速度。屈折率nの媒質中の位相速度は、c/nで表される。
・群速度:光のパルスが伝わる速度。光波に情報を乗せるために変調をかけた後、変調された情報が伝わる速度。

・④について
位相速度はc/nで表せるので、伝搬速度cに比例する。また群速度も算出式は変調方式によるものの伝搬速度cに比例した速度になる。位相速度と群速度の積は、お互いcに比例している数値であるため、伝搬速度cの2乗に比例することとなる。



33_1_senro_1_(5).png

(5)
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、光ファイバ材料自体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、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、波長の2乗に比例する(正:4 乗に反比例)
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、コアとクラッドの比屈折率差が大きいほど曲げによる放射損失は大きい(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









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