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光ファイバ通信のしくみと光スペクトル測定

光ファイバ通信のしくみと光スペクトル測定 (月刊「トランジスタ技術」2005年7月号掲載)

通信・測定器事業部 第4開発センター 小島 学


近年、ADSLやCATV、FTTHなど、いわゆるブロードバンド・ネットワークによるインターネット接続が急激に増大しています。
その中でも特に、FTTH (Fiber To The Home)は、高速で大容量の通信手段として期待され、加入者数を増やしています。
本稿では、FTTHなどに代表される光データ通信の基礎について解説します。また、高速データ通信を実現するために光に求められている重要な性質である「光スペクトル」の基礎知識と、評価テクニックについて詳しく解説します。

章マーク 光ファイバ通信のしくみ

1.光ファイバ通信の基礎

ベルの光電話実験 (自然光を用いた光通信の実験)

電話の発明 (1876年)で有名なアレキサンダー・グラハム・ベルが、1880年に自然光 (太陽光)を使った光電話で、声を光に変えて213m先まで伝送、再び音声に戻すという実験に成功しました。この実験は、図1に示すような装置で行われました。
しかし、この方式は途中の伝送路が空間であるため、光が広がったり拡散してしまうことから長距離の伝送は困難であるとともに、雨や霧あるいは障害物などの妨害を避けることができないので、当時実用化されることはありませんでした。この光通信が実用化されるのは1970年頃であり、光ファイバとレーザの発明を待つ必要がありました。

ベルの光電話の原理
図1 ベルの光電話の原理 (1)

光通信を実用化させた光ファイバとレーザの登場

1960年代にレーザが発明され、1970年代に光ファイバが実用化されて、光通信は長足の進歩を遂げました。レーザは、数十万分の1平方ミリメートルという微小な半導体の窓から放射される安定していて指向性の優れた光線で、膨大な量の情報を担うことができます。
光ファイバは、人間の髪の毛ほどの細いガラスでできており、その中に光信号を閉じ込め、この光信号をそれほど減衰させずに遠方まで伝搬させることができる高性能の伝送媒体です。光通信を行う上で最も重要な要素として、光の減衰が極度に少ない伝送媒体と、小電流で動作する高安定・長寿命の光源が必要になります。 このような中で伝送媒体として光ファイバ、光源として半導体レーザが実用化されました。

光ファイバ通信のしくみ

図2に光ファイバ通信システムの基本構成を示します。
基本的には、従来のメタリックケーブルをそのまま光ファイバケーブルに置き換えたものとなります。まず、電話、パソコンなどの端末から送られる電気信号は、E/O変換器により光信号 (ディジタル信号の'0'、'1' は、光の点滅に変換)に変換され、光ファイバに送り込まれます。光ファイバの中を伝搬した信号は、通信相手のO/E変換器へ届くと、その光信号が電気信号に変換され、各端末に送られます。E/O変換器には半導体レーザなどの発光素子、O/E変換器にはフォトダイオードなどの受光素子が用いられます。また、光ファイバの入出力部には、レンズなどの光学素子が用いられます。
しかし、半導体レーザの発光部の大きさはµmオーダ、フォトダイオードの受光部は100µmオーダ、光ファイバのコア径は10µm程度と小さいため、これらを正確に位置合わせするには高い技術が必要とされています。



光ファイバ通信システムの基本構成
光ファイバ通信システムの基本構成

光ファイバ通信システムの基本構成
図2 光ファイバ通信システムの基本構成 (1)

光ファイバ通信のメリット

光ファイバ通信は、従来のメタリックケーブルを用いた通信システムに比べ、光ファイバの特長である低損失、広帯域という利点を生かし、長距離・大容量通信を可能にします。
光ファイバ通信のメリットをまとめると次のようになります。

  1. 低損失 (~0.2dB/km)
  2. 広帯域 (数百MHz~THz)
  3. 軽量
  4. 電磁誘導性がない、雑音が入りにくい
  5. 省資源