令和4年 第1回 「線路設備」



34_1_senro_1_(1).png
問1
(1)
ア:⑩ スペクトル幅が1[nm]の
イ:③ 小さい
ウ:⑦ 伝搬速度
エ:⑬ 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

類題
30年第2回(線路設備)問1(1):光ファイバの分散特性 ※同一文章。2か所、空欄位置が変更。




34_1_senro_1_(2).png
(2)
答え:①
解説
① 受光デバイスにおける光信号を検出する方法には、一般に、光のエネルギーを電気エネルギーに変換し、これを熱エネルギー(正:電流)として検出する光電効果といわれる現象が用いられている。

②③④正しい

補足
・フォトダイオード(PD:Photo Diode):光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス。フォトダイオードの特性には、主に受光感度、暗電流(ノイズ)、応答速度などがある。
 -受光感度:光をどれだけ吸収するかを表す。受光感度が高いと微小な光信号に対しても検出が可能になる。
 -暗電流:光が当たっていないときに流れてしまう電流量。暗電流が小さいほどノイズが少ない。
 -応答速度:光信号が電気信号に変換される速度。応答速度が速いほど、信号のON/OFFを細かく制御できるため高速通信に対応できる。

・フォトダイオードの種類
フォトダイオードには、通常タイプのフォトダイオードとアバランシェフォトダイオード(APD)の2種類があり、通常タイプのフォトダイオードには構造の違いによりPN型PIN型の2つがある。

PN_PIN_PD_APD2.png

・PN型フォトダイオード(PN-PD):P型半導体とN型半導体のPN接合によって構成されている。接合部分にできる空乏層に光が当たると光電効果により起電力が発生する。低速の通信用の受光用デバイスとして利用する場合は逆バイアス電圧をかけるが、太陽電池として利用する場合は逆バイアス電圧はかけないで使用する。

・PIN型フォトダイオード(PIN-PD):P型半導体とN型半導体の間に絶縁性のI型半導体層(真性半導体層)を設けた構成をしている。I型半導体層は空乏層と同じ役割を果たすため、PN型よりも空乏層が広がり、よりキャリアを生成できるようになるため受光感度が向上する。また、空乏層の電界作用により電子の移動が加速されることで応答速度も向上する。消費電力については、PN接合と比べ空乏層を広げるための電圧を低く抑えられるため、消費電力を抑えることもできる。また、空乏層の電界を高く維持するために静電容量が小さくなるよう小型に作られている。

・アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photo Diode):PN接合のP型半導体部分をP+層(正孔の濃度が高い)、P-層(正孔の濃度が低い)、P層の3層に分けた構成をしている。P-層が光吸収層として働き、P層が電子加速層として働く。P層では、高電界で加速させた電子が電子なだれ(Avalanche)を起こし、電子を倍増させるため、微弱な光でも大きな電流が流れる。PIN-PDよりも高い逆バイアス電圧が必要となるが、電子なだれ現象により、超高速応答性や高受光感度を実現できる。

特性PDAPD
PN型PIN型
応答速度遅い速い
受光感度低い高い
逆バイアス電圧起電力モード:不要
光伝導モード:比較的高電圧
低電圧高電圧が必要
用途太陽電池、CDの読み出し
TVリモコンの受信部
光通信高速光通信


・順バイアス電圧と逆バイアス電圧
ダイオードに対して、電流が流れる方向にかける電圧を順バイアス電圧、逆に電流が流れない方向にかける電圧を逆バイアス電圧という。
forward_reverse_bias.png


34_1_senro_1_(3).png
(3)
答え:④
解説
① 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。

② 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。

③ 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(正:PLC 型)が用いられている。

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

・GE-PONの波長分配
それぞれの信号は、下記のよう各波長に割り当てられている。
波長
映像信号1.55μm帯
上り1.31μm帯
下り1.49μm帯


・ファイバグレーティング(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

・PONのONUにおける試験光の遮断方法
設備センタからユーザ側への試験光が通信に影響を及ぼさないように試験光の波長を透過させないようにしたファイバブラッググレーティング(FBG)をONUの直前に組み込んでいる。
ONU_FGB_sikenkou.png


類題
30年第2回(線路設備)問1(3)(i):GE-PONに用いられる光受動デバイスの機能、特徴 ※順番変更。同一問題。



34_1_senro_1_(4).png
(4)
答え:③
解説
① 電気信号により半導体レーザ(LD)の出力光を強度変調する方式には、直接変調方式と外部変調方式がある。外部変調方式(正:直接変調方式)は、LD駆動回路においてバイアス電流と変調信号を印加することにより変調光を得る方式である。

② 直接変調方式は、一般に、変調速度が1[GHz]以上(正:10[GHz以上])になると、光カー効果(正:チャーピング)の影響により伝送距離に制限が生ずる。

③ 正しい

④ ニオブ酸リチウム変調器(LN変調器)は、導波路構造のマッハツェンダ干渉計構成をとり、電極に電圧を印加したとき、光弾性効果(正:ポッケルス効果)により導波路の屈折率が変化し、光の干渉状態が変わることを利用して出力光のオンオフを制御している。


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(マッハツェンダ干渉計構成)。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。

・位相変調方式の変調器
ON/OFFの2値による強度変調では、40Gbit/s程度が限界とされるため、40Gbit/s以上の高速化を実現するために位相変化を使った変調器が必要となる。例えば、位相変調方式のうちQPSKの変調器では、90度ずつ位相の異なる信号点を用いることで、4値の情報を一度に送ることが可能となるため、強度変調の2値の2倍の情報伝送が可能になる。





34_1_senro_1_(5).png
(5)
答え:③
解説
①②④正しい

③ 線形中継システムに用いられる線形中継器は、再生中継器と異なり、タイミング抽出機能はなく、等化増幅機能及び識別再生機能(正:タイミング抽出機能および識別再生機能はなく、等化増幅機能がある)がある。

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。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

・光ファイバ増幅器で発生する雑音
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。

雑音指数:増幅回路等における、入力S/Nと、出力S/Nの比を表す値。
入力側をSi/Ni、出力側をSo/Noとしたとき雑音指数Fは、
\( F=\frac{S_i/N_i}{S_o/N_o} \)
と表せる。

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。

類題
令和元年第2回(線路設備)問1(3)(i):光中継伝送システム(線形中継システム)の構成及び機能 ※順番変更。同一問題。








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