令和4年 第1回 「伝送設備」




34_1_setubi_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑨ トランスポンダ
イ:③ EDFA
ウ:⑩ AWG

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。WDMでは、使用できる波長数を増やし波長の間隔を狭めて高密度化することや、使用できる波長帯域(バンド)を増やすことにより大容量化を図っている。

・CWDMとDWDMの比較
CWDMDWDM
波長密度粗い
波長1.29μm~1.61μm
1.55μm(193.1THz)
波長間隔20nm 間隔
12.5GHz、25.0GHz、50.0GHz 又は 100GHz
波長数最大16波長最大1000波長程度
伝送距離短距離(50km程度)長距離
コスト安い高い
用途同一都市の拠点間都市間・国家間


参照:波長多重の詳細(総務省):
https://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/joho_tsusin/catv_system/pdf/070315_1_sa1_4.pdf

・WDMシステムの構成
<送信側>
SDH/SONETの信号やイーサネット信号などのクライアント信号をトランスポンダで各波長の光信号に変換し、光合波器で多重化して伝送路に送出する
<線路>
WDM信号は、線形中継器で光増幅される
<受信側>
WDM信号を分波器で各波長の光信号に分け、トランスポンダを介して元のクライアント信号に復元する
WDM_system2.png

トランスポンダ:SDH/SONET装置などのクライアント信号とWDM装置に入出力される各波長の光信号を相互変換する装置
光合分波器:WDMで利用させる装置。波長の違う光を合成させたり、分波させたりする装置

SDH/SONET(Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical NETwork):基幹ネットワークでTDM方式(時分割多重方式)を使って高速通信を行うための規格。SDHは、国際標準化組織のITU-Tにより規定されており、SONETは、米国で標準化されたものだが、SDHはSONETをベースに標準化されており、これらはほとんど同じものを表すため、しばしばSDH/SONETという表現が使われる。

・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。
増幅したい波長帯希土類の元素記号増幅器の名称
1.5μm帯域Erエルビウム添加光ファイバ増幅器
(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier
1.3μm帯域Prプラセオジム添加光ファイバ増幅器
(PDFA:Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 
1.4μm帯域Tmツリウム添加光ファイバ増幅器
(TDFA:Thulium Doped Fiber Amplifier)
1.0μm帯域Ybイッテルビウム添加光ファイバ増幅器
(YDFA:Ytterbium Doped Fiber Amplifier)


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:
希土類添加光ファイバ増幅器の1つ。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帯の光が増幅される。

EDFA_detail.png

・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

類題
31年第1回(データ通信)問3(1)WDM伝送システム
25年第1回(データ通信)問3(1)WDM伝送システムの概要
※文章の一部が同じ。(ウ)穴埋め箇所が変更。



34_1_setubi_1_(2).png

(2)
答え:③
解説
①②④正しい

③ CMI符号は、0の入力に対しては01を、1の入力に対しては00と11を交互に送出する形式の符号である。クロック周波数が情報伝送速度の1/2(正:2倍)となり、高い周波数成分が減少するため(正:タイミング情報が失われにくくなるため)、中継距離を長くすることができる。

補足
説明
AMI
(Alternate Mark Inversion code)
(別名:バイポーラ方式)
AMI.png0は、0[V]に固定し、1は、+E[V]と-E[V]を交互に繰り返す。0[V]、+E[V]、-E[V]の3値符号を用いているが、1シンボルあたりの情報量は、1bitで、2値符号を使用する場合と同じである。
CMI
(Code Mark Inversion code)
CMI.png1ビットの信号を2ビットに拡張して送信する。0は"01"、 1は、"11"と"00"を交互に繰り返す。同じ信号が連続して続くことがないため、タイミング情報が失われにくくなる。


・BnZSについて
信号の同期を取る場合、信号の立ち上がり/立ち下がりを抽出する事でタイミング情報を抽出する。AMI(バイポーラ方式)では、0が連続すると立ち上がり/立ち下がりがまったく発生しない状態が続くため、タイミング情報が失われ同期が取れなくなってしまう。そこで、AMIにおいて、0が複数回続いた場合に特定のパターンに変換することでタイミング情報の損失を防いだ方式がBnZS方式である。BnZSのnには、数字が入り、0がn回続いた場合に、特定のパターンに変換する事を表している。下図は、n=6のB6ZSの例を説明している。
・B6ZSの動作
B6ZSでは、0が6回続くと、「000000」を「0VB0VB」というパターンに変換する。(Vは、バイオレーションを表す。AMIでは1が来るごとに極性が反転するが、反転させない信号をバイオレーションという。通常のAMIではありえない信号であるため、正規の信号と特定のパターンとの間で区別をすることが出来る。Bは、バイポーラ側パルスを表す。順当で来るはずの極性側のパルス)

B6ZS.png

・スクランブル符号について

スクランブリング:連続する同一符号の発生を防ぐために行われる符号化。スクランブリングが行われたパルス信号はスクランブル符号と呼ばれる。ある時間内の信号内に含まれる"1"(マーク)の割合のことをマーク率といい、スクランブル符号は、元のパルス信号のマーク率に関係なくマーク率が1/2(ある時間内の"1"と"0"の頻度が同じ)になる。

・スクランブリングのための符号化回路
送信側でスクランブル符号を生成する回路をスクランブラ、受信側でスクランブル符号を元のパルス信号に戻す回路をデスクランブラと呼ぶ。スクランブラとデスクランブラは、シフトレジスタと排他的論理和回路によって構成される。

scramble.png

【参考】<電気通信における伝送路符号に求められる特性>
平衡対ケーブルや同軸ケーブルを伝送媒体として電気信号を用いた伝送方式では、伝送路符号として、以下の(1)~(3)の特性が求められる。
(1)直流成分(低域成分/低周波数成分)が少ないこと
(2)タイミング抽出が行えること
(3)高周波成分が少ないこと

以下は、(1)~(3)の詳細な説明です。
(1)直流成分(低域成分/低周波数成分)が少ないこと
 伝送路に挿入される中継器には、給電電流分離用フィルタ、トランスなどが用いられることがあり、これらは直流成分(低域成分/低周波成分)を遮断する特性を持つため、直流成分が少ない伝送路符号が望ましいとされている。
※直流成分とは
 直流成分とは、信号を平均化したときに、現れる成分の事。直流成分は、+Eと-Eのバランスが悪いと発生してしまう。+Eと-Eのバランスがとれた伝送路符号は、平均化したとき0に近い信号となるため、直流成分が少ないといえる。
※直流成分と低周波数との関係
 直流成分が大きいということは、+Eと-Eの切り替わりが少なく、同じ電位が連続して続くことが多いことを意味する。これは波形と見たときには、1波長が長いことを表し、周波数としてみたときは低周波数になることを表している。

(2)タイミング抽出が行えること
タイミング情報の抽出方法には、外部タイミング方式と自己タイミング方式がある。
 ・外部タイミング方式:タイミング情報をデータ信号とは別の線から受け取る方式。
 ・自己タイミング方式:タイミング情報をデータ信号に埋め込む方式。信号レベルの立ち上がりと立ち下がり(0と1の切り替わり)を検出している。
伝送路では、自己タイミング方式によってタイミング情報を伝送している。自己タイミング方式は、同じ電位が連続して続くとタイミング情報が失われてしまう。そのため、伝送路符号では、電位が頻繁に切り替わりタイミング情報が失われない符号化が望まれる。


(3)高周波成分が少ないこと
電気信号では、表皮効果近接効果により、周波数が高くなるほど信号が減衰してしまう。そのため、高周波成分が少ない伝送符号が望まれる。
・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。30kHz以上になると、抵抗値が\( \sqrt{f} \)に比例して大きくなる。
hyouhikouka.png

・近接効果:撚り線などで隣接する複数の導体間において、相互に発生させる磁場により導体内の電流密度にムラができてしまい、抵抗値が高くなる現象。表皮効果と同じく、高周波数帯で影響が顕著となる。

・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、表皮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

※用語の補足
平衡対ケーブル(ツイストペアケーブル):誘導による漏話を軽減する目的で絶縁被覆した2本の銅線をより合わせたケーブル。電話局から加入者宅まで加入者線やLANに使われる。減衰量は、周波数に比例するため、高周波数の信号の伝送には向かない。
同軸ケーブル:銅線を絶縁体で囲み、その上をシールドで覆ったケーブル。減衰量は、周波数をfとしたとき\(\sqrt { f } \)に比例する。

給電電流分離用フィルタ:中継器に電力を供給するために通信回線に電力を乗せる事があり、その場合は、中継器で電力を分離/結合するためのフィルタが必要になる





34_1_setubi_1_(3).png

(3)
答え:②
解説
① 光変調方式には、大別すると直接変調方式と外部変調方式があり、高速長距離伝送システムには、一般に、直接変調方式(正:外部変調方式)が用いられている。

② 正しい

③ 石英系平面光波回路基板上にY分岐光導波路を多段構成した光分岐・結合器は、集積化は可能であるが、分岐比が不均一になりやすいことから多分岐には適していない(正:分岐比を均一にでき、多分岐に適している)

④ 溶融処理により2本の光ファイバのコアを近接させて分岐比を1:1にしたものは6dBカプラ(正:3dBカプラ)といわれ、入力端に1[mW]の光信号を入力すると、損失のない理想的な場合には、二つの出力端にそれぞれ0.5[mW]の光信号が出力される。

補足
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

・チャーピング
半導体レーザでは、変調を行うために注入電流を変化させると、内部に屈折率の変化が生じ、その結果、波長(周波数)が変化する。この現象をチャーピングという。これによって、スペクトルが信号帯域を超えて広がってしまいファイバ伝搬中の波長分散の影響を大きく受けてしまうため通信品質に影響を与えてしまう。

・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。また、外部変調器には、40 Gbit/s 以上の高速化を実現するための位相変調方式もある。
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。

・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(石英系プレーナ光波回路)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。ファイバ溶融型カプラのうち、2つの出力ポートの光出力の比率を、50%ずつ(1:1)に調整したものを3dBカプラという。同様に25%と75%に調整したものを6dBカプラ、10%と90%に調整したものを10dBカプラという。
fiber_splitter.png

類題
27年第2回(設備)問1(2)(i):光の変調方式 ※①のみ同一



34_1_setubi_1_(4).png

(4)
答え:④
解説
①②③正しい

④ 線形中継器を用いた光中継システムでは、光増幅器で発生する光雑音と光増幅器で増幅される光信号の相互作用、及び光雑音間の相互作用によって生ずるショット雑音(正:ビート雑音)が、受信側端局装置におけるSN比を劣化させる主な要因となっている。


類題
・光パワーの観点での光ファイバ通信システムの最大伝送距離について
(接続損失・分散損失は含まない)


光ファイバ通信システムの伝送路の距離L[km]は以下のように表される。

【伝送路距離L[km]の算出】
\( L=\frac{ P_s-P_r-P_d }{ \alpha } \)

送信器の出力光パワー:Ps[dBm]
受信器の最小受光パワー:Pr[dBm]
システムマージン(※):Pd[dB]
伝送路における平均損失:α[dB/km]
(※システムマージンは、経年劣化により設計時に見込んでおく値。経年劣化による品質低下要因として、「光ファイバの損失増加」、「送信機の出力低下」、「受信機の最小受光感度変化」などがある。)

さらに通常は、コネクタ間などの接続損失や、伝送路上の分岐で生じる分岐損失を考慮に入れる必要があるため、それらを考慮して以下のような算出式が使われることもある。

【伝送路距離L[km]の算出(接続、分岐損失を含む)】
\( L=\frac{ P_s-P_r-P_d-C }{ \alpha } \)

接続・分岐損失:C[dB]

・光ファイバシステムの伝送路距離のイメージ(接続・分岐損失を含まない)
fiber_length.png

①の補足
①の文章では、波形劣化による受信感度の低下量をPd[dB]としているが、システムマージンと捉えることでできる。
また、正確には、光ファイバシステムの最大伝送距離の算出には、光パワーと損失の計算だけでは不十分で、波長分散による影響も考慮に入れる必要がある。通常は送信器の分散耐力[ps/nm](分散許容量)から算出される伝送距離についても考慮に入れて、最大伝送距離が算出される。そのため、①の文章を「正しい文章」とするには少し説明不足な印象を受ける。
(参考文献:「光伝送技術について」(APRESIA Systems 株式会社):https://www.apresia.jp/technical/transmission/

・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(発光スペクトル幅が広い)が放出されるが、LDではコヒーレント光(発光スペクトル幅が狭い)が放出される。
LED_LD.png

・光ファイバ通信システムにおける雑音の種類
kind_of_opt_noise.png

<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。

・【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。
anp_spectrum2.png

類題
29年第1回(線路設備)問1(2)(ii):発光デバイスの構造及び特性 ※参考(線路設備)








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平成25年第2回-法規

第1回

平成25年第1回-電気通信システム
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平成24年 過去問解説

第2回

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説明および注意

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※【解説】について
・正誤を問う問題
誤った文章と、その誤り箇所、そして、正しい文言および文章を記載します。
 赤:誤っている箇所
 青:正しい文言
 緑:注釈

※「★」部分は、編集中箇所です。
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