令和5年 第1回 「線路設備」



35_1_senro_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑨ タイミング抽出
イ:⑭ 四光波混合
ウ:④ NZ-DSF
エ:① 異常分散

解説
・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
名前現象伝送劣化発生する
光パワー
自己位相変調自分自身の光の強度により位相が変化する現象・信号光スペクトル幅の増大
・波長分散による波長歪み
>~10mW
相互位相変調別の光の強度により位相が変化する現象WDM光伝送において、
・信号光スペクトル幅の増大
・波長分散による波長歪み
>~10mW
四光波混合3つの異なった波長の波が入射した際に3つの波長とは異なる4つ目の光(アイドラ光)が発生する現象・新しい光の発生
・WDM光伝送における短波長におけるチャネル間のクロストーク
>~1mW


・WDMシステムにおける四光波混合
WDMでは波長の違う複数の光がファイバ中を通るため、四光波混合が発生する。四光波混合で発生したアイドラ光が通信で使われている波長だった場合、その波長でのノイズとなりS/N比が劣化し通信品質を下げることになる。WDMシステムの通信で使う波長を等間隔にした場合、アイドラ光が通信光の波長とぶつかることが知られており、これを防ぐ対策として、使用波長を不等間隔に並べることがあげられる。また、四光波混合は、分散がない場合に強く発生するため、使う波長帯からゼロ分散帯をずらした、非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF)を使用するなどの対策もある。

・正常分散領域と異常分散領域
正常分散とは、波長が短いほど屈折率が大きくなる分散をいい、異常分散とは、波長が長いほど屈折率が大きくなる分散のことをいう。屈折率が大きいほど、媒質中の光の進行速度は遅くなるため、正常分散では、波長が長い光ほど早く進み、波長が短い光ほど遅く進む。異常分散はその逆になる。
光ファイバの波長と分散値の関係性を表したグラフにおいて、正の分散値における領域を異常分散領域、負の分散値における領域を正常分散領域になる。
seijo_ijo_bunsanryouiki2.png


(参考)・分散制御光ファイバの種類
構造分散の調整(屈折率分布の調整)により分散特性を変えた光ファイバは、ほかにも多数あるが、主なものとして以下のようなものがある。
・分散フラット光ファイバ(DFF):材料分散と構造分散を相殺させるような形で構造分散を調整することで1.3~1.6 μmの広い波長帯域にわたって分散値を低く抑えたファイバ。
・非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF):WDMのような複数の波長を使うシステムでは、分散を0にしてしまうと、非線形光学効果である四光波混合の影響が大きくなってしまう。そこで1.55μm帯で分散値をゼロ付近にしている分散シフト光ファイバ(DSF)から、ゼロ波長帯を若干ずらした非ゼロ分散シフト光ファイバ(NZ-DSF)が使われる。
bunsan_seigyo_fiber.png




35_1_senro_1_(2).png

(2)
答え:① Aのみ正しい
解説
A:正しい

B:ISDN回線によるADSL回線への漏話の影響については、一般に、近端漏話(正:遠端漏話)と比較して遠端漏話(正:近端漏話)の影響を強く受ける。

C:平衡対ケーブルにおける心線の撚り合わせ方法としては、一般に、心線収容効率、漏話特性などを考慮して4本の心線を正方形の頂点に配列し、共通の軸周りに一括して撚り合わせたDMカッド撚り(正:星形カッド撚り)が用いられている。

補足
・遠端漏話と近端漏話
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

・ケーブルの撚り方の種類
対撚り:2本の心線を直接撚り合わせたケーブル(撚り対線・ツイストペアケーブル)
星形カッド撚り:4 本の心線を星状の四角に配列して共通の軸回りに一括して撚り合わせたケーブル。静電容量を小さいので伝送損失が少なく、ケーブル外径も小さくできるため心線収容率も良い。
DMカッド撚り:2心線を撚り合わせたペアを、さらに、ペアどうしで撚り合わせたケーブル
cad_table.png

メタリックケーブルの漏話(別の回線へノイズを発生させる現象)について
メタリックケーブルの漏話には、大きく分けて「電磁誘導」と「静電誘導」によるものがある。
・電磁誘導によるノイズ:ある通信線に流れる交流電流により発生した磁界が、別の通信線に作用し誘導電流を発生させ、その通信線でのノイズとなってしまう現象。
・静電誘導: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、通信線-通信線の間と通信線-大地の間で静電結合が発生し、静電結合により発生し誘導電流がノイズとなり通信の品質を低下させる。
denzi_seiden_noise.png

(参考)撚り対線(ツイストペアケーブル)のノイズ対策の仕組み(考え方は星形カッド撚りなども同様)
撚り対線は、電磁誘導によるノイズと静電誘導によるノイズに対して有効とされている。
電磁誘導によるノイズへの対策
(撚り対線が、外部にノイズを出さないようにする仕組み)
平行線(撚りがないケーブル)の場合は、往復する2つのペアケーブルは、同じ方向の磁束を作ってしまうが、撚り対線の場合は、ペアが反転するごとに発生する磁束の向きが反対になるため、隣同士で打ち消し合うことになり磁束を外部に発生させない。
twist_pare_denzi_.png

(撚り対線が、外部からノイズを受けない仕組み)
平行線の場合は、外部の磁束によってペアとなるケーブルにそれぞれノイズとなる起電流を発生させてしまうが、撚り対線の場合は、ペアが反転するごとにケーブルに発生する起電流が逆方向となり、隣合う起電流同士(下図の同じアルファベットの電流)で打ち消し合い、ケーブル内にノイズを発生させない。
twist_pare_denzi_hiyuudoukaisen_.png

静電誘導によるノイズへの対策
静電誘導の大きさは、誘導回線(ノイズ源となる回線)と被誘導回線(ノイズの影響を受ける側の回線)との距離に反比例する。平行線の場合は、ペアの線の位置関係に変化がないため、誘導回線と被誘導回線の距離は、遠い回線と近い回線で、発生する誘導電流の大小ができてしまう。一方で、撚り対線の場合は、誘導回線との距離を近づいたり遠のいたりを交互に繰り返すため静電容量が平均化され、誘導電流がほぼ同じになり、相互にキャンセリングすることができる。
twist_pare_denzi_seidenyuudo.png

類題
29年第2回(線路設備)問1(2)(ii)メタリック平衡対ケーブルの漏話 ※同一文章(間違え箇所が変化)



35_1_senro_1_(3).png

(3)
答え:④
解説
①②③正しい

④ 光アイソレータは、磁場中を光が通過するときに偏光面が回転するポッケルス効果(正:ファラデー効果による偏光面の変化)を利用したものであり、光を一方向にのみ通過させ、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


類題
29年第1回(線路設備)問1(2)(i)光受動デバイスの機能、特徴 ※ほぼ同一文章



35_1_senro_1_(4).png

(4)
答え:①
解説
① 正しい

② EDFは、SM光ファイバと同じ石英ガラスを主成分とする光ファイバであり、コアにエルビウムイオンを添加することによって生ずるなだれ増倍(正:誘導放出)を利用して光信号を増幅している。

③ EDFの利得係数は添加するエルビウムイオンの濃度を高めることで大きくでき、一定以上の高濃度になると励起効率が向上(正:低下)し利得係数を更に大きくできる(正:が小さくなってしまう)。この現象は濃度消光といわれる。

④ EDFとSM光ファイバのクラッドの外径は同じであるが、増幅性能を向上させるため、EDFのコア径はSM光ファイバのコア径と比較して、一般に、大きい(正:小さい)

補足
・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。
mode_denkai.png


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

・濃度消光について
EDFにおいて利得係数を増大させるためには、Erイオンの添加量を増加させる必要があるが、一定以上の高濃度になると濃度消光という現象が発生し、増幅効率が低下していく。濃度消光は、エルビウム濃度の増加によりエルビウムイオン間の距離が短くなり、イオン間の相互作用が起こることによって発生する。

・EDF(Erbium Doped optical Fiber)と伝送用光ファイバとの比較
SM光ファイバEDF
主成分石英ガラス石英ガラス+Erイオン
クラッド径125μm125μm
コア径9~10μm3~6μm



類題
令和3年第2回(線路設備)問1(4)光通信における光の伝搬 ※1/4が同一文章




35_1_senro_1_(5).png

(5)
答え:④
解説
①②③正しい

④ コアとクラッドの境界面に微小な凹凸が存在し、伝搬する光がこの凹凸のために乱反射することによって生ずる損失は、一般に、構造の不均一性による散乱損失といわれ、その大きさは光の波長に依存する(※)(※構造の不均一性による散乱損失は、光の波長に依存しない)

補足

・損失の種類
sonsitu_seiri.png
・各損失の発生イメージ
sonsitu_image.png

光ファイバ固有の損失
・吸収損失
 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付近が一番損失の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。
マクロベンディング損失(曲げによる放射損失):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
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



類題
31年第1回(線路設備)問1(3)(i)光ファイバにおける光損失の種類と特徴 ※ほぼ同一文章








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