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問1
(1)
ア:⑯ イーサネットフレーム
イ:① 1.31
ウ:③ レンジング
エ:⑭ DBA

解説
・PONシステムの方式
・B-PON(Broadband-PON)：Etherフレームなどの可変長フレームを固定長のATMセル（53byte）に乗せ換えてPON区間を伝送する方式。EtherフレームをATMセルに乗せ換えるため収容効率が悪い。上り速度/下り速度はそれぞれ、独立して選択可能。
・G-PON(Gigabit PON)：EtherフレームなどのATMセル以外のフレームはGEM（G-PON Encapsulation Method）フレームにカプセル化し、そのGEMフレームをATMセルと一緒にしてGTC（G-PON Transmission Convergence）フレームにカプセル化する。このように作られたGTCフレームでPON区間を伝送する。上り/下り速度は、最大2.48Gbit/sまで対応しており、それ以下の複数の伝送速度を選択することも可能。
・GE-PON(Gigabit Ethernet-PON)：可変長のEtherフレームをそのままPON区間で伝送する。上り/下り速度は、1.25Gbit/sに固定されている。

・PON区間のフレーム構成


・PONシステム方式の比較



・PONの波長分配
PON（B-PON/G-PON/GE-PON)システムでは、上り下りの通信用の波長帯の他に、映像伝送用の波長帯も用意されている。


RTT(Round Trip Time):信号を発してから応答が返ってくるまでの時間


・レンジング処理
PONでは、各ONUからOLTまでの伝送距離が一定でないため、送信信号の伝送遅延時間が異なる。そのため、各ONUは、単純に等間隔で順番に上りの送信信号を送出するわけにはいかず、伝送遅延時間を考慮して送信タイミングを送信する必要がある。適切な送信タイミングを算出するために、OLTから各ONUまでの伝送遅延時間を計測する処理を、レンジング処理という。



・レンジング処理の手順
OLTは、遅延測定信号送出許可をONU#1に送り、それを受信したONU#1はα時間後に遅延測定信号をOLTに返答する。このとき、OLTでは自身が送出した遅延測定信号許可の送信から遅延測定信号の受信までの時間（RTT）から、OLT-ONU#1間の往復遅延時間（RTT-α）を計算することができる。次にOLTは、ONU#1に対して、算出した往復遅延時間を通知し、ONU#1は受けた往復遅延時間から算出した送信タイミングで動作する。続いて、ONU#2、ONU#3とOLTに接続される全てのONUに対してレンジング処理を順番に実施していく。

・レンジング窓
レンジングは、各ONU1台ずつ順番に行われるため、あるONUがレンジング中は、他のONUは送信が禁止される必要がある。この無信号時間をレンジング窓という。レンジング窓は、OLT-ONU間の距離に依存して設定される必要がある。例えば、OLT-ONU間が0～60kmの光ファイバで構築される可能性がある場合は、60kmの往復遅延時間に相当する600μ秒のレンジング窓を設定する必要がある。

・FBAとDBA
複数のONUに上り帯域を分配する方法として、FBAとDBAの2つの方式がある。GE-PONでは、DBAが使用される
FBA(Fixed Bandwidth Allocation):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。

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(2)
答え:③
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る雑音は累積されないが、波形の劣化は累積されて信号対雑音比(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 線形中継伝送路に用いられる光増幅器は、再生中継器と比較して、小型低消費電力であり、SN比の低下が小さく(正:大きく)、WDM伝送システムにおいては波長ごとに(正:使用する波長帯の一括)増幅が行える。

③ 正しい

④ 非線形現象の一つである四光波混合は、波長の異なる四つ(正:3つ)の光を光ファイバに入射したとき、回折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

・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を行う中継器。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


・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

・光増幅器の整理
光を電気に変換せずに光のまま増幅する「光増幅器」の種類を整理すると以下の様になる。


・ファイバ増幅器
希土類添加光ファイバ増幅器
希土類元素(レアアース)を光ファイバに添加し、その誘導放出により光利得を得る増幅器。希土類によって、誘導放出により発する光の波長が違うため、増幅したい波長帯によって添加する希土類を使い分けられる。中でも、WDMシステムで使用される1.5μm帯を増幅するエルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）がよく使われる。その波長帯の複数の光信号を一括増幅することができ、高利得及び高出力といった優れた特徴を有している。


光ファイバラマン増幅器
非線形光学効果の一つであるラマン散乱に基づく誘導放出により光利得を得る増幅器。ラマン増幅器は、励起光から約100nm長い波長域に増幅利得が得られる特長を有しており、励起光の波長を調整することで、増幅波長帯を自由に選択できる。


・半導体光増幅器
半導体レーザ（LD）の活性層の反射面をなくし共振機構を取り除いた構成をしており、半導体レーザの活性層に外部から入射された光が増幅される。ファイバ増幅器と比べると小型化することができ、コストも抑えることができるが、偏波依存性（光の偏波面によって増幅性能に差がでてしまう）がある。


・光ファイバ通信システムにおける雑音の種類


＜光源で生ずる雑音＞
-レーザ強度雑音：レーザの発光過程で発生する自然放出光による量子ゆらぎに起因する強度雑音。

＜受光デバイスで生ずる雑音＞
-熱雑音：受信電子回路素子から発生する熱による雑音。
-暗電流雑音：フォトダイオードに光が入らなくても発生する暗電流による雑音。
-ショット雑音：光の量子的なゆらぎによるもので、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。

＜増幅中継器で生ずる雑音＞
-ビート雑音（ASE雑音）：増幅中継器で増幅された信号光と光増幅器で発生したASEの間、およびASEとASEとの間で発生する「うねり（ビート）」により発生する雑音。前者の雑音は、信号光の帯域に含まれているため除去することができないが、後者の雑音は、広帯域の雑音であるため狭帯域フィルタによって除去が可能。ビート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。
　※ASE(Amplified Spontaneous Emission：自然放射増幅光)：増幅器の中で副次的に発生した自然放出光が増幅器の中で更に増幅されたもの。
　※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。

・【参考】光ファイバ内でのASEの発生について
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(狭帯域フィルタを通す前)の光パワーと光スペクトルを比較したものである。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が、増幅器の中で更に増幅された光雑音でASE(Amplified Spontaneous Emission：自然放射増幅光)と呼ばれる。


・光カー効果：信号光パワーが大きくなると現れ、光の強度に応じてファイバの屈折率が変化し、通信品質の劣化を招く現象
・光カー効果によって発生する非線形現象

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(3)
答え:②
解説
① MM光ファイバにおいて、モードごとに光信号の伝搬時間が異なり波形劣化を生ずる現象は、ポッケルス効果(正:モード分散)といわれる。

② 正しい

③ SM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10[km](正:1[km]) 伝搬したとき、パルス幅が1[ps] (正:10[ps])広がることを意味する。

④ 光波長スペクトルに広がりを持つ光信号が、波長ごとに伝搬時間の異なる光ファイバを伝搬することにより波形劣化を生ずる現象は、光カー効果(正:波長分散)といわれる。

補足
・分散の種類

※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、これらの分散の和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。


・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。


・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。　

（※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。



・（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して進む。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型において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。）


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



・光カー効果：信号光パワーが大きくなると現れ、光の強度に応じてファイバの屈折率が変化し、通信品質の劣化を招く現象

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(4)
答え:⑤ A、Cが正しい
解説
A、C:正しい

B:光ファイバ中の屈折率の微小な揺らぎによって光が散乱する現象は、レイリー散乱といわれ、この散乱による損失の大きさは波長の2乗に比例(正:4 乗に反比例)する。

補足
・光の電磁波としての特徴
光は、波長の短い（周波数の高い）電磁波である。電磁波は、振動する電界と、その電界と直交しながら振動する磁界からなり、それぞれの振動方向は進行方向に垂直な横波である。


レイリー散乱損失:光の波長に比べて十分小さな粒子や、密度・組成揺らぎなどが原因となって生じる光の散乱。光ファイバの光損失の原因の1つで,光ファイバを構成する分子のミクロな密度揺らぎによって光が散乱される現象。散乱による周波数変化はなく、散乱光の強度は波長の4乗に逆比例し、長波長ほど小さくなる。

・光ファイバ内を進む光の平面波と電界分布について
光ファイバ内を進む光の平面波の等位相面（複数の光線の位相が同じところ線で結んだもの）を図に表すと以下の様になる。平面波の干渉により電界振幅が節になる部分を●、腹になる部分を〇で表すと、コアとクラッドの境界面においては、いずれのモードでも電界振幅の腹になることが分かる。ファイバ断面の電界分布をみると、コアとクラッドの境界面では、電界がゼロになっていることが分かる。

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(5)
答え:③
解説
①②④正しい

③ 発光素子と光ファイバとの結合部で生ずる反射光の帰還を阻止するために、一般に、ファラデー効果による偏光の回転を利用するプリズム(正:光アイソレータ)が用いられている。

補足
・発光素子と光ファイバとの結合部の構造
発光素子と光ファイバとの結合部において、発光素子から出射される光は、屈折や回折によって広がってしまうことから、レンズを利用して集光する。また、結合部で生ずる反射光の帰還を阻止するため光を一方向にしか通さない特性を持つ光アイソレータが挿入される。

・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。


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。また、光ファイバの出射端面から空間に放射される際には、最大出射角の度合いを表す。
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。
\( NA=sin\theta \)


APC(Automatic Power Control)：発光素子（LD）の光出力を一定にするための制御方式の1つ。発光素子（LD）に内蔵されたフォトダイオード(PD)で光レベルを計測して光出力が一定になるようにLD駆動電流を制御する。

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