光ファイバー通信

光ファイバーパッチングキャビネット。黄色のケーブルはシングルモードファイバー、オレンジと青のケーブルはマルチモードファイバー（それぞれ 62.5/125 μm OM1 ファイバーと 50/125 μm OM3 ファイバー）です。

光ファイバー通信は、光ファイバーを通じて赤外線または可視光のパルスを送信することで、ある場所から別の場所に情報を伝送する方法です。^[1]^[2]光は、情報を運ぶために変調される搬送波の一種です。 ^[3]高帯域幅、長距離、または電磁干渉に対する耐性が必要な場合は、電気ケーブルよりも光ファイバーが好まれます。 ^[4]このタイプの通信では、ローカルエリアネットワークまたは長距離を介して音声、ビデオ、テレメトリを伝送できます。^[5]

光ファイバーは、多くの通信会社で電話信号、インターネット通信、ケーブルテレビ信号の送信に使用されています。ベル研究所の研究者は、光ファイバー通信を使用して、100ペタビット×キロメートル/秒を超える記録的な帯域幅と距離の積を達成しました。 ^[6]^{[より良い情報源が必要]}

背景

1970年代に初めて開発された光ファイバーは、通信業界に革命をもたらし、情報化時代の到来に大きな役割を果たしました。^{[7]電気伝送よりも優れているため、光ファイバーは}先進国のバックボーンネットワークにおける銅線通信に大きく取って代わりました。^[8]

光ファイバーを使用した通信プロセスには、次の基本的な手順が含まれます。

^送信機[9]を使用して光信号を生成する。通常は電気信号から
光ファイバーに沿って信号を中継し、信号が過度に歪んだり弱くなったりしないようにする
光信号を受信する
それを電気信号に変換する

アプリケーション

光ファイバーは、電話信号、インターネット通信、ケーブルテレビ信号の送信に通信会社によって使用されています。また、医療、防衛、政府、工業、商業など、他の業界でも使用されています。通信目的に加えて、光ガイド、画像ツール、レーザー、地震波用水中聴音器、ソナー、圧力と温度を測定するセンサーとしても使用されています。

減衰と干渉が少ないため、光ファイバーは長距離、高帯域幅の用途では銅線よりも有利です。しかし、都市内のインフラ整備は比較的難しく時間がかかり、光ファイバーシステムの設置と運用は複雑で費用がかかる場合があります。これらの困難さのため、初期の光ファイバー通信システムは主に長距離用途に導入され、そこでは伝送容量を最大限に活用してコストの増加を相殺していました。光ファイバー通信の価格は2000年以降大幅に低下しています。^[10]

現在、家庭への光ファイバー敷設の費用は、銅線ベースのネットワーク敷設の費用よりも費用対効果が高くなっています。米国では加入者 1 人あたり 850 ドルまで下がり、掘削コストが低く住宅密度が高いオランダなどの国ではさらに安くなっています。^[要出典]

1990年に光増幅システムが商用化されて以来、通信業界は都市間および大洋間の光ファイバー通信回線の広大なネットワークを敷設してきました。2002年までに、2.56Tb / sの容量を持つ250,000kmの海底通信ケーブルによる大陸間ネットワークが完成しました。具体的なネットワーク容量は機密情報ですが、通信投資レポートによると、ネットワーク容量は2004年以降劇的に増加しています。^[11] 2020年現在、世界中で50億キロメートルを超える光ファイバーケーブルが敷設されています。^[12]

歴史

1880年、アレクサンダー・グラハム・ベルと助手のチャールズ・サムナー・テインターは、ワシントンDCにベルが新設したボルタ研究所で、光ファイバー通信の非常に初期の前身であるフォトフォンを開発しました。ベルはこれを最も重要な発明と考えていました。この装置により、光線に音を乗せて送信することができました。1880年6月3日、ベルは約213メートル離れた2つの建物間で世界初の無線電話通信を行いました。 ^[13]^[14]大気伝送媒体を使用していたため、フォトフォンはレーザーと光ファイバー技術の進歩により安全な光の伝送が可能になるまで実用化されませんでした。フォトフォンが初めて実用化されたのは、何十年も後の軍事通信システムでした。^[15]

1954年、ハロルド・ホプキンスとナリンダー・シン・カパニーは、巻かれたガラス繊維が光を伝送できることを示しました。^[16] 東北大学の日本人科学者である西沢潤一は、1963年に通信に光ファイバーを使用することを提案しました。 ^[17]西沢はPINダイオードと静電誘導トランジスタを発明し、どちらも光ファイバー通信の発展に貢献しました。^[18]^[19]

1966 年、標準電気通信研究所のCharles K. KaoとGeorge Hockham は、既存のガラスにおける 1,000 dB/km の損失 (同軸ケーブルでは 5～10 dB/km) は、除去できる可能性のある汚染物質によるものであることを示しました。

通信用途に十分な低減衰（約20 dB / km）の光ファイバーは、 1970年にコーニングガラス社によって開発されました。同時に、コンパクトなため光ファイバーケーブルを介して長距離光を伝送するのに適したGaAs 半導体レーザーも開発されました。

1973年、レーザーの発明者であるゴードン・グールドが共同設立したオプテレコム社は、ARPAから最初の光通信システムの1つを受注した。アラバマ州ハンツビルの陸軍ミサイル司令部向けに開発されたこのシステムは、ビデオ処理機能を備えた短距離ミサイルが、飛行中にミサイルから繰り出される5キロメートルの光ファイバーを介して地上とレーザー通信できるようにすることを意図していた。^[20]その後、オプテレコムは最初の商用光通信システムをシェブロンに納入した。^[21]

1975 年からの研究期間を経て、波長 0.8 μm 付近で動作し、GaAs 半導体レーザーを使用する最初の商用光ファイバー通信システムが開発されました。この第 1 世代のシステムは、最大 10 km の中継間隔で 45 Mbit/s のビットレートで動作しました。まもなく 1977 年 4 月 22 日、General Telephone and Electronics 社がカリフォルニア州ロングビーチで 6 Mbit/s のスループットで光ファイバーを介して最初のライブ電話トラフィックを送信しました。^{[引用が必要]}

1973年10月、コーニンググラスはCSELTおよびピレリと開発契約を結び、都市環境で光ファイバーをテストすることを目的とした。1977年9月、このテストシリーズの2番目のケーブルであるCOS-2が、大都市では初めて140Mbit/sの速度で、トリノで2本の回線（9km）に実験的に敷設された。 ^[22]

光ファイバー通信の第二世代は、1980年代初頭に商用利用のために開発され、1.3μmで動作し、InGaAsP半導体レーザーを使用しました。これらの初期のシステムは、当初はマルチモードファイバーの分散によって制限されていましたが、1981年にシングルモードファイバーがシステムパフォーマンスを大幅に改善することが明らかになりましたが、シングルモードファイバーで動作できる実用的なコネクタの開発は困難であることがわかりました。カナダのサービスプロバイダーであるSaskTelは、当時世界最長の商用光ファイバーネットワークの構築を完了しました。これは、3,268km（2,031マイル）をカバーし、52のコミュニティを接続しました。^[23] 1987年までに、これらのシステムは最大ビットレートで動作していました。1.7 Gbit/s、リピータ間隔最大 50 km (31 マイル)。

光ファイバーを使用した最初の大西洋横断電話ケーブルは、 Desurvire の最適化されたレーザー増幅技術に基づいたTAT-8でした。これは 1988 年に運用が開始されました。

第3世代の光ファイバーシステムは1.55μmで動作し、損失は約0.2dB/kmでした。この開発は、インジウムガリウムヒ素の発見と、ピアソールによるインジウムガリウムヒ素フォトダイオードの開発によって促進されました。エンジニアは、 1.55μmで分散が最小限になるように設計された分散シフトファイバーを使用するか、レーザースペクトルを単一の縦モードに制限することで、その波長での従来のInGaAsP半導体レーザーを使用したパルス拡散の初期の困難を克服しました。これらの開発により、最終的に第3世代のシステムが1.55μmで商業的に動作できるようになりました。2.5 Gbit/s、リピータ間隔は 100 km (62 マイル) を超えます。

第4世代の光ファイバー通信システムでは、光増幅によって中継器の必要性が減り、波長分割多重（WDM）によってデータ容量が増加しました。WDMの導入は光ネットワークの始まりであり、WDMは光ファイバー帯域幅の拡張に選択される技術となりました。^[24]高密度WDMシステムを最初に市場に投入したのは、1996年6月のCiena Corp.でした。^[25]光増幅器とWDMの導入により、1992年からビットレートが1.5Gbpsに達するまで、システム容量は6か月ごとに倍増しました。2001年には10Tb /sに達しました。2006年には光増幅器を使用することで、160km（99マイル）の単一回線で毎秒14テラビットの伝送速度が達成されました。 ^[26] 2021年現在^{[アップデート]}、日本の科学者は標準ケーブル径の4芯光ファイバーケーブルを使用して、毎秒319テラビットを3,000キロメートル伝送しました。^[27]

第 5 世代光ファイバー通信の開発の焦点は、WDMシステムが動作できる波長範囲の拡張にあります。C バンドと呼ばれる従来の波長ウィンドウは、1525 ～ 1565 nm の波長範囲をカバーし、ドライファイバーには低損失ウィンドウがあり、その範囲を 1300 ～ 1650 nm まで拡張できます。^{[要出典]その他の開発には、}光ソリトンの概念が含まれます。これは、特定の形状のパルスを使用して、ファイバーの非線形効果による分散効果を打ち消すことで、パルスの形状を維持するものです。

1990 年代後半から 2000 年にかけて、業界の推進者や、KMI や RHK などの調査会社は、インターネットの利用増加と、ビデオオンデマンドなどのさまざまな帯域幅集約型消費者向けサービスの商用化により、通信帯域幅の需要が大幅に増加すると予測しました。インターネットプロトコルのデータトラフィックは、ムーアの法則の下で集積回路の複雑さが増加するよりも速い速度で指数関数的に増加していました。しかし、ドットコムバブルの崩壊から2006 年までの業界の主な傾向は、コスト削減のために企業の統合と製造の海外移転でした。VerizonやAT & Tなどの企業は、光ファイバー通信を利用して、さまざまな高スループットデータおよびブロードバンドサービスを消費者の家庭に提供しています。

テクノロジー

現代の光ファイバー通信システムには、一般的に、電気信号を光信号に変換する光送信機、信号を伝送する光ファイバーケーブル、光増幅器、および信号を再び電気信号に変換する光受信機が含まれます。送信される情報は通常、コンピューターまたは電話システムによって生成されるデジタル情報です。

送信機

最も一般的に使用される光送信機は、発光ダイオード(LED) やレーザーダイオードなどの半導体デバイスです。LED とレーザーダイオードの違いは、LED が非干渉性の光を生成するのに対し、レーザーダイオードは干渉性の光を生成することです。光通信で使用する場合、半導体光送信機は、最適な波長範囲で動作し、高周波で直接変調されながら、コンパクトで効率的かつ信頼性の高い設計にする必要があります。

最も単純な形態では、LED は自然放出によって光を発します。これはエレクトロルミネセンスと呼ばれる現象です。放出される光はインコヒーレントで、スペクトル幅は比較的広く、30～60 nm です。^[a] LED のスペクトル幅が広いとファイバー分散が大きくなり、ビットレート距離積 (有用性の一般的な尺度) が大幅に制限されます。LED は主に、ビットレートが 10～100 Mbit/s、伝送距離が数キロメートルのローカルエリアネットワークアプリケーションに適しています。

LEDの光伝送は効率が悪く、入力電力の約1％、つまり約100マイクロワットのみが最終的に光ファイバーに結合される発射電力に変換されます。^[28]

複数の量子井戸を使用して広範囲のスペクトルにわたって異なる波長の光を放射する LED が開発されており、現在はローカルエリア波長分割多重(WDM) アプリケーションに使用されています。

LED は、ほぼ同程度のコストで速度、出力、スペクトル特性が向上した垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) デバイスに取って代わられました。ただし、LED は比較的シンプルな設計のため、非常に低コストのアプリケーションに非常に役立ちます。光ファイバーで使用される半導体レーザー送信機の一般的なクラスには、VCSEL、ファブリペロー、分布帰還型レーザーなどがあります。

半導体レーザーは、自然放出ではなく誘導放出によって光を放出するため、高出力 (~100 mW) が得られるほか、コヒーレント光の性質に関連する他の利点もあります。レーザーの出力は比較的方向性があるため、シングルモードファイバーへの結合効率が高くなります (~50%)。一般的な VCSEL デバイスは、マルチモードファイバーにも適しています。スペクトル幅が狭いため、色分散の影響が軽減され、高いビットレートも実現できます。さらに、半導体レーザーは再結合時間が短いため、高周波数で直接変調できます。

レーザーダイオードは直接変調されることが多く、つまり、光出力はデバイスに直接適用される電流によって制御されます。非常に高いデータレートまたは非常に長い距離のリンクの場合、レーザーソースは連続波で動作し、光は外部デバイス、電気吸収変調器やマッハツェンダー干渉計などの光変調器によって変調されます。外部変調は、直接変調レーザーの線幅を広げ、ファイバー内の色分散を増加させるレーザーチャープを排除することで、達成可能なリンク距離を延長します。非常に高い帯域幅効率の場合、コヒーレント変調を使用して振幅に加えて光の位相を変更し、QPSK、QAM、およびOFDMを使用できます。「デュアル偏波 4 位相シフトキーイングは、同じ速度の従来の光伝送の 4 倍の情報を効果的に送信できる変調形式です。」^[29]

受信機

光受信機の主要コンポーネントは、光電効果を使用して光を電気に変換する光検出器です。通信用の主要な光検出器は、インジウムガリウムヒ素で作られています。光検出器は通常、半導体ベースのフォトダイオードです。フォトダイオードには、p-nフォトダイオード、p-i-nフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなど、いくつかの種類があります。金属-半導体-金属（MSM）光検出器も、再生器や波長分割多重化装置での回路統合に適しているため使用されます。

光はファイバーを通過する際に減衰したり歪んだりする可能性があるため、光検出器は通常、トランスインピーダンスアンプと制限アンプと結合され、入力光信号から回復された電気領域でデジタル信号を生成します。データが渡される前に、位相ロックループによって実行されるデータからのクロック回復などの追加の信号処理も適用される場合があります。

コヒーレント受信機は、局部発振器レーザーと一対のハイブリッドカップラー、および偏光ごとに4つの光検出器を組み合わせ、高速ADCとデジタル信号処理によってQPSK、QAM、またはOFDMで変調されたデータを復元します。^{[引用が必要]}

デジタルプリディストーション

光通信システム送信機は、デジタル-アナログ変換器（DAC）、ドライバアンプ、マッハツェンダ変調器で構成されています。より高い変調フォーマット（> 4-QAM）またはより高いボーレート（>32 GBd）では、線形および非線形の送信機効果によりシステム性能が低下します。これらの効果は、DAC 帯域幅制限と送信機 I/Qスキューによる線形歪みと、ドライバアンプとマッハツェンダ変調器のゲイン飽和によって引き起こされる非線形効果に分類できます。デジタルプリディストーションは、劣化効果を打ち消し、最大ボーレートを実現します。市販のコンポーネントを使用して、56 GBdおよび64-QAMや128-QAMなどの変調形式をサポートします。送信機デジタル信号プロセッサは、サンプルを DAC に送信する前に、逆送信機モデルを使用して入力信号にデジタルプリディストーションを実行します。

従来のデジタルプリディストーション法では線形効果のみを対象としていました。最近の出版物では非線形歪みも考慮されています。Berenguerらはマッハ・ツェンダー変調器を独立したウィーナーシステムとしてモデル化し、DAC とドライバアンプは切り捨てられた時間不変のボルテラ級数でモデル化しています。^[30] Khanna らはメモリ多項式を使用して送信機コンポーネントを共同でモデル化しています。^[31]どちらのアプローチでも、ボルテラ級数またはメモリ多項式係数は間接学習アーキテクチャを使用して見つけられます。Duthelらはマッハ・ツェンダー変調器の各ブランチについて、異なる極性と位相の複数の信号を記録します。これらの信号は光場を計算するために使用されます。同相および直交場の相互相関によりタイミングスキューが特定されます。周波数応答と非線形効果は間接学習アーキテクチャによって決定されます。^[32]

光ファイバーケーブルの種類

光ファイバーケーブルは、コア、クラッド、バッファ（保護用の外側コーティング）で構成されており、クラッドは全反射の原理を利用して光をコアに沿って導きます。コアとクラッド（屈折率が低い）は通常、高品質のシリカガラスで作られていますが、両方ともプラスチックで作ることもできます。2本の光ファイバーの接続は、融着接続または機械接続によって行われ、ファイバーコアの位置合わせに微細な精度が求められるため、特別なスキルと相互接続技術が必要です。^[33]

光通信で使用される光ファイバーには、主にマルチモード光ファイバーとシングルモード光ファイバーの 2 種類があります。マルチモード光ファイバーはコアが大きく (≥ 50マイクロメートル)、精度は劣るが安価な送信機と受信機、および安価なコネクターを接続できます。ただし、マルチモード光ファイバーはマルチモード歪みを導入するため、リンクの帯域幅と長さが制限されることがよくあります。さらに、ドーパント含有量が多いため、マルチモード光ファイバーは通常高価で、減衰も大きくなります。シングルモード光ファイバーのコアは小さく (< 10 マイクロメートル)、より高価なコンポーネントと相互接続方法が必要ですが、はるかに長く高性能なリンクが可能になります。シングルモード光ファイバーとマルチモード光ファイバーはどちらも、さまざまなグレードで提供されています。

光ファイバーを商業的に実現可能な製品にパッケージ化するには、通常、紫外線硬化型アクリレートポリマー^[要出典]を使用して保護コーティングし、ケーブルに組み立てます。その後、地面に敷設し、建物の壁を貫通させて、銅線と同様の方法で空中に展開することができます。これらの光ファイバーは、一度展開すると、一般的なツイストペア線よりもメンテナンスが少なくて済みます。^[35]

長距離海底データ伝送には、大西洋横断通信ケーブルなどの特殊なケーブルが使用される。民間企業が運用する新しい（2011～2013年）ケーブル（エメラルド・アトランティス、ハイバーニア・アトランティック）は通常4本のファイバーで構成されており、信号は60～70ミリ秒で大西洋（ニューヨーク市～ロンドン）を横断する。2011年のケーブル1本あたりのコストは約3億ドルだった。^[36]

もう 1 つの一般的な方法は、たとえば光接地線を使用して、多数の光ファイバーストランドを長距離電力伝送ケーブル内に束ねることです。これにより、電力伝送権が効果的に活用され、電力会社が自社のデバイスと回線を監視するために必要な光ファイバーを所有および管理できるようになり、事実上改ざんの影響を受けなくなり、スマートグリッドテクノロジの導入が簡素化されます。

増幅

光ファイバー通信システムの伝送距離は、従来、ファイバーの減衰とファイバーの歪みによって制限されてきました。光電子中継器を使用することで、これらの問題は解消されました。これらの中継器は信号を電気信号に変換し、送信機を使用して、受信時よりも高い強度で信号を再度送信することで、前のセグメントで発生した損失を相殺します。現代の波長分割多重信号は非常に複雑であり、約 20 km (12 マイル) ごとに設置する必要があるため、これらの中継器のコストは非常に高くなります。

代替アプローチは、信号を電気領域に変換せずに光信号を直接増幅する光増幅器を使用することです。一般的な光増幅器の 1 つは、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA) です。これは、光ファイバに希土類鉱物のエルビウムを添加し、通信信号よりも短い波長 (通常 980 nm ) の光でレーザーポンピングして作られます。EDFA は、1550 nm の ITU C バンドでゲインを提供します。

光増幅器には、電気中継器に比べていくつかの大きな利点があります。まず、光増幅器は、数百の多重化チャネルを含む非常に広い帯域を一度に増幅できるため、各増幅器で信号を多重分離する必要がありません。次に、光増幅器はデータレートと変調形式とは独立して動作するため、複数のデータレートと変調形式を共存させることができ、中継器をすべて交換しなくてもシステムのデータレートをアップグレードできます。3 番目に、光増幅器は同じ機能を持つ中継器よりもはるかにシンプルなため、信頼性が大幅に高くなります。新しい設備では、光増幅器が中継器に取って代わっていますが、増幅以上の信号調整が必要な場合は、電子中継器が依然として広く使用されています。

波長分割多重

波長分割多重（WDM）は、異なる波長の複数の光ビームを光ファイバーに送り、それぞれを別の情報チャネルで変調することにより、単一の光ファイバーで複数の情報チャネルを伝送する技術です。これにより、光ファイバーの利用可能な容量を増やすことができます。これには、送信装置に波長分割多重装置、受信装置にデマルチプレクサ（基本的には分光計）が必要です。アレイ導波路格子は、 WDMの多重化とデマルチプレクシングによく使用されます。^[37]現在市販されているWDM技術を使用すると、光ファイバーの帯域幅を最大160チャネルに分割して^[38]、 1000万チャネルの範囲の総合ビットレートをサポートできます。1.6 テラビット/秒。

パラメータ

帯域幅と距離の積

分散の影響はファイバーの長さとともに大きくなるため、ファイバー伝送システムは帯域幅と距離の積で特徴付けられることが多く、通常はMHz · kmの単位で表されます。信号の帯域幅と伝送距離の間にはトレードオフがあるため、この値は帯域幅と距離の積です。たとえば、帯域幅と距離の積が 500 MHz · km の一般的なマルチモードファイバーでは、500 MHz の信号を 1 km 伝送するか、1000 MHz の信号を 0.5 km 伝送できます。

記録的なスピード

波長分割多重化を使用すると、各ファイバーは、それぞれ異なる波長の光を使用する多くの独立したチャネルを伝送できます。ファイバーあたりの正味データレート (オーバーヘッドバイトを除いたデータレート) は、チャネルあたりのデータレートから前方誤り訂正(FEC) オーバーヘッドを減らし、チャネル数を乗じたものです ( 2008 年現在、商用の高密度 WDMシステムでは通常最大 80 です^{[アップデート]})。^{[更新が必要]}

標準ファイバーケーブル

以下は、標準的な通信グレードのシングルモード、シングルソリッドコア光ファイバーケーブルを使用した研究の概要です。

^ ab 単一のソースを使用してすべてのチャネルを駆動しました。

特殊ケーブル

次の表は、特殊なマルチコアまたはマルチモードファイバーを使用して達成された結果をまとめたものです。

^ フォトニックチップを使用したスループットの新記録。

新しい技術

DTU、フジクラ、NTTの研究は、チームがより主流の技術と比較して光学系の電力消費を約5％削減できたという点で注目に値し、これは非常に電力効率の高い新世代の光学部品につながる可能性があります。

オーストラリアのメルボルンにあるRMIT大学の研究では、らせん状にねじれた光波でデータを伝送するナノフォトニックデバイスが開発され、現在達成可能な光ファイバーの速度が100倍に向上しました。^[75] この技術は軌道角運動量（OAM）として知られています。ナノフォトニックデバイスは、極薄シートを使用して、1ミリメートル未満のねじれた光を測定します。ナノ電子デバイスは、USBコネクタよりも小さいコネクタ内に埋め込まれており、光ファイバーケーブルの端に取り付けることができます。^[76]

分散

現代のガラス光ファイバーの場合、最大伝送距離は、直接的な材料の吸収ではなく、分散、つまり光ファイバーに沿って移動する光パルスの拡散によって制限されます。分散によって光ファイバーの帯域幅が制限されるのは、拡散する光パルスによって、光ファイバー上でパルスが次々に進み、受信機で区別できる速度が制限されるためです。光ファイバーの分散は、さまざまな要因によって発生します。

異なる横モードの異なる軸速度によって引き起こされるモード間分散は、マルチモードファイバーのパフォーマンスを制限します。シングルモードファイバーは 1 つの横モードのみをサポートするため、モード間分散は排除されます。

シングルモード光ファイバーの性能は主に波長分散によって制限されます。波長分散は、ガラスの屈折率が光の波長によってわずかに変化し、変調により光送信機からの光が必然的に（狭い）波長範囲を占めるため発生します。もう 1 つの制限要因である偏波モード分散は、シングルモード光ファイバーが維持できる横モードは 1 つだけであるにもかかわらず、このモードを 2 つの異なる偏波で伝送でき、光ファイバーのわずかな欠陥や歪みによって 2 つの偏波の伝搬速度が変わる可能性があるために発生します。この現象は複屈折と呼ばれ、偏波保持光ファイバーによって打ち消すことができます。

分散、特に色分散は、分散補償器によって除去できます。これは、伝送ファイバーによって誘発される分散とは反対の分散を持つ特別に準備された長さのファイバーを使用することで機能し、これによりパルスがシャープになり、電子機器によって正しくデコードできるようになります。

減衰

光ファイバーの減衰は、物質の吸収、レイリー散乱、ミー散乱、コネクタの損失の組み合わせによって引き起こされます。純粋なシリカの物質吸収はわずか約0.03 dB/kmです。初期の光ファイバーの不純物は約1000 dB/kmの減衰を引き起こしました。現代の光ファイバーの減衰は約0.3 dB/kmです。その他の減衰は、光ファイバーへの物理的ストレス、密度の微視的変動、不完全な接続技術によって引き起こされます。^[77]

送信ウィンドウ

減衰と分散に寄与する各効果は光の波長によって異なります。これらの効果が最も弱い波長帯（またはウィンドウ）があり、これが透過に最も有利です。これらのウィンドウは標準化されています。^[78]

この表は、現在の技術によって、もともと分離されていた E ウィンドウと S ウィンドウを橋渡しできるようになったことを示していることに注意してください。

歴史的には、O バンドよりも短い波長のウィンドウが 800～900 nm に存在し、第 1 ウィンドウと呼ばれていましたが、この領域では損失が大きいため、このウィンドウは主に短距離通信に使用されています。現在の 1300 nm 付近の低いウィンドウ (O および E) では損失がはるかに低くなっています。この領域では分散はゼロです。最も広く使用されているのは、1500 nm 付近の中間のウィンドウ (S および C) です。この領域では減衰損失が最も低く、最も長い範囲が実現されます。分散は多少あるため、これに対処するために分散補償器デバイスが使用されます。

再生

通信リンクの距離が既存の光ファイバー技術の能力を超える場合、リンクの中間地点で光通信リピータによって信号を再生成する必要があります。リピータは通信システムに多大なコストを追加するため、システム設計者はリピータの使用を最小限に抑えるよう努めます。

ファイバーと光通信技術の最近の進歩により、信号劣化が軽減され、光信号の再生は数百キロメートルの距離でのみ必要になりました。これにより、光ネットワークのコストが大幅に削減されました。特に、中継器のコストと信頼性がケーブルシステム全体のパフォーマンスを決定する重要な要因の 1 つである海底スパンでは、コストが大幅に削減されました。これらのパフォーマンス向上に貢献している主な進歩は、分散の影響と非線形性のバランスをとる分散管理と、ファイバーの非線形効果を使用して長距離にわたる分散のない伝搬を可能にするソリトンです。

ラストマイル

光ファイバーシステムは高帯域幅の用途に優れていますが、ファイバートゥザプレミスの普及が遅れているため、ラストマイルの問題は未解決のままです。ただし、ファイバートゥザホーム(FTTH) の導入は加速しています。たとえば、日本では、ブロードバンドインターネットソースとしてEPON がDSL に取って代わりました。FTTH の導入が最も進んでいるのは、日本、韓国、中国です。シンガポールは、全ファイバーの次世代全国ブロードバンドネットワーク (Next Gen NBN) の実装を開始しました。これは 2012 年に完了する予定で、OpenNet によってインストールされています。2010 年 9 月にサービスが開始されて以来、シンガポールのネットワークカバレッジは全国で 85% に達しています。^[^{更新が必要}^]

米国では、Verizon Communications が、既存の管轄区域内の特定のユーザーあたりの平均収益が高い市場にFiOSという FTTH サービスを提供しています。他の主要な生き残り型の既存地域交換キャリアであるAT&T は、家庭へのツイストペアを使用したU-verseという FTTN ( Fiber to the Node ) サービスを使用しています。同社の MSO 競合他社は、ハイブリッド光ファイバー同軸ネットワークを使用した同軸による FTTN を採用しています。主要なアクセスネットワークはすべて、サービスプロバイダーのネットワークから顧客までの距離の大部分に光ファイバーを使用しています。

世界的に主流のアクセスネットワークテクノロジは、イーサネットパッシブオプティカルネットワーク(EPON) です。ヨーロッパおよび米国の通信事業者の間では、ATM ベースのブロードバンド PON (BPON) とギガビット PON (GPON) は、フルサービスアクセスネットワーク(FSAN) と ITU-T 標準化団体の管理下にありました。

電気伝送との比較

特定のシステムにおける光ファイバーと電気（または銅）伝送の選択は、いくつかのトレードオフに基づいて行われます。光ファイバーは、より高い帯域幅を必要とするシステム、過酷な環境で動作するシステム、または電気ケーブルが対応できる距離よりも長い距離にわたるシステムに一般的に選択されます。

光ファイバーの主な利点は、損失が極めて低いこと（中継器間の距離を長くできる）、長い並行した電気導体配線でよく見られる地絡電流やその他の寄生信号および電力の問題がないこと（伝送に電気ではなく光に依存していることと、光ファイバーの誘電性のため）、および本質的に高いデータ伝送容量です。 1 本の高帯域幅光ファイバーケーブルを置き換えるには、何千もの電気リンクが必要になります。光ファイバーのもう 1 つの利点は、長距離にわたって並列に配線した場合でも、一部のタイプの電気伝送線とは対照的に、光ファイバーケーブルでは実質的にクロストークが発生しないことです。光ファイバーは、電力線や線路のそばなど、電磁干渉（EMI）が高い場所にも設置できます。非金属の全誘電体ケーブルは、落雷発生率の高い場所に最適です。

比較すると、数キロメートルを超える単線の音声グレード銅線システムでは、満足のいくパフォーマンスを得るためにインライン信号リピーターが必要ですが、光システムではアクティブまたはパッシブ処理なしで 100 キロメートル (62 マイル) を超えることも珍しくありません。

光ファイバーは電気導体よりも接続が難しく、費用もかかります。また、高出力では光ファイバーはファイバーヒューズの影響を受けやすく、ファイバーコアの壊滅的な破壊や伝送部品の損傷につながります。^[79]

短距離および比較的低帯域幅のアプリケーションでは、コストが低いため、電気伝送が好まれることが多いです。光通信は、短距離のボックスツーボックス、バックプレーン、またはチップツーチップのアプリケーションでは一般的ではありません。

特定の状況では、他の重要な機能により、短距離または低帯域幅のアプリケーションでもファイバーを使用できる場合があります。

核電磁パルスを含む電磁干渉に対する耐性。
電気抵抗が高いため、高電圧機器の近くや接地電位の異なる場所でも安全に使用できます。
軽量化は、たとえば航空機では重要です。
アーク放電の可能性がない- 可燃性または爆発性ガスの環境では重要です。^[80]
電磁放射がなく、信号を妨害せずに盗聴することが困難です。これは、セキュリティの高い環境で重要です。
ケーブルのサイズが大幅に小さくなりました。これは、既存の建物のネットワーク化など、経路が限られている場合に重要であり、より小さなチャネルを掘削して、既存のケーブルダクトやトレイのスペースを節約できます。
非金属伝送媒体による耐腐食性

光ファイバーケーブルは、銅ケーブルや同軸ケーブルを設置するのと同じ機器を使用して建物内に設置できますが、光ケーブルはサイズが小さく、許容される引張力と曲げ半径が限られているため、多少の変更が必要です。

管理基準

さまざまなメーカーが光ファイバー通信システムで互換性のある機能を持つコンポーネントを開発できるようにするために、いくつかの標準が開発されています。国際電気通信連合は、光ファイバー自体の特性と性能に関連するいくつかの標準を発行しています。

ITU-T G.651、「50/125 μm マルチモードグレーデッドインデックス光ファイバケーブルの特性」
ITU-T G.652、「シングルモード光ファイバケーブルの特性」

その他の規格では、適合システムで一緒に使用されるファイバー、送信機、受信機のパフォーマンス基準を規定しています。これらの規格の一部を以下に示します。

TOSLINK は、プラスチック光ファイバーを使用してデジタルソースをデジタル受信機に接続するデジタルオーディオケーブルの最も一般的な形式です。

参照

自由空間光通信

注記

^ 通信用 LED は、インジウムガリウムヒ素リン(InGaAsP) またはガリウムヒ素(GaAs) から作られるのが最も一般的です。InGaAsP LED は GaAs LED よりも長い波長 (1.3 マイクロメートル対 0.81～0.87 マイクロメートル) で動作するため、その出力スペクトルは、エネルギーは同等ですが、波長の観点では約 1.7 倍広くなります。

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さらに読む

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外部リンク

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[single_source-45] 単一のソースを使用してすべてのチャネルを駆動しました。

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