光ファイバー通信

最も一般的に使用される光送信器は、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が非干渉性光を生成するのに対し、レーザーダイオードは干渉性光を生成する点にあります。光通信で使用する場合、半導体光送信器は、最適な波長範囲で動作し、高周波で直接変調されるだけでなく、小型で効率的かつ信頼性の高い設計が求められます。

最も単純な形では、LEDは自発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。放出される光は非干渉性で、30～60 nmという比較的広いスペクトル幅を持ちます 。^{[ a ]} LEDの広いスペクトル幅は、ファイバー分散の影響を受けやすく、ビットレートと距離の積（有用性の一般的な尺度）を著しく制限します。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の光伝送は非効率的で、入力電力の約1％、つまり約100マイクロワットしか最終的に光ファイバーに結合される出力電力に変換されません。^{[ 30 ]}

複数の量子井戸を用いて広範囲のスペクトルにわたって異なる波長の光を発するLEDが開発されており、現在では局所的な波長分割多重（WDM）用途に利用されている。

LEDは、速度、出力、スペクトル特性が向上し、コストも同程度である垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）デバイスにほぼ取って代わられています。しかし、LEDは比較的シンプルな設計のため、非常に低コストの用途には非常に有用です。光ファイバーで使用される一般的な半導体レーザー送信機には、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（約100mW  ）が得られるだけでなく、コヒーレント光の特性に起因する様々な利点も得られます。レーザーの出力は比較的指向性が高く、シングルモードファイバーへの結合効率（約50%）も優れています。一般的なVCS​​ELデバイスは、マルチモードファイバーへの結合効率も良好です。また、スペクトル幅が狭いため、色分散の影響が軽減され、高ビットレートでの伝送が可能になります。さらに、半導体レーザーは再結合時間が短いため、高周波で直接変調することができます。

レーザーダイオードは多くの場合、直接変調されます。つまり、光出力はデバイスに直接印加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や非常に長いリンクの場合、レーザー光源は連続波で動作し、光は外部デバイス、つまり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除去することで、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を実現するには、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化させることができ、QPSK、QAM、およびOFDMの使用が可能になります。「デュアル偏波直交位相シフトキーイングは、同じ速度の従来の光伝送よりも実質的に4倍の情報を送信する変調形式です。」^{[ 31 ]}

光受信機の主要構成要素は、光電効果を利用して光を電気に変換する光検出器です。通信用光検出器の主成分は、インジウムガリウムヒ素（IGH）です。光検出器は一般的に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）フォト検出器も、再生器や波長分割多重器への回路統合に適しているため使用されています。

光ファイバーを通過する際に光が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リミッティングアンプに接続され、入力光信号から電気領域のデジタル信号を生成します。データが伝送される前に、位相同期ループによるクロックリカバリなどの信号処理がさらに適用される場合もあります。

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プラ、および偏光ごとに4つの光検出器を組み合わせて使用​​し、その後、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。

光通信システムの送信機は、デジタル-アナログ変換器（DAC）、ドライバアンプ、およびマッハツェンダー変調器で構成されています。より高い変調方式（> 4-QAM）またはより高いボーレート（>32 GBd ）は、線形および非線形送信機効果によりシステム性能を低下させます。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 ツェンダー変調器のゲイン飽和によ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、これらの劣化効果を打ち消し、最大 32 GBd のボーレートを実現します。56  GBdや、 64-QAMや128-QAMなどの変調方式を市販の部品で実現します。送信機のデジタル信号プロセッサは、入力信号に対して逆送信機モデルを使用してデジタルプリディストーションを行い、サンプルを DAC に送信します。

従来のデジタルプリディストーション手法では、線形効果のみを扱っていました。最近の論文では、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系としてモデル化し、DAC とドライバアンプを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。^{[ 32 ]} 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まとめてモデル化しています。^{[ 33 ]}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の係数は、間接学習アーキテクチャを使用して求められます。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、それらの信号を使用して光場を計算します。同相と直交のフィールドを相互相関させることで、タイミングスキューを特定します。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。^{[ 34 ]}

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、クラッドは全反射法を用い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本の光ファイバーを接続するには、融着接続または機械的接続が必要であり、ファイバーコアを位置合わせするため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。^{[ 35 ]}

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径が大きく（ 50マイクロメートル以上）、精度は低くても安価な送信機や受信機、そして安価なコネクタを接続できます。しかし、マルチモードファイバーはマルチモード歪みを発生させるため、帯域幅と伝送距離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高いため、マルチモードファイバーは通常高価で、減衰率も高くなります。シングルモードファイバーのコア径は小さく（ 10マイクロメートル未満）、より高価な部品や接続方法が必要ですが、より長く高性能な伝送距離を実現できます。シングルモードファイバーとマルチモード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利用可能な製品にするためには、通常、紫外線硬化型アクリレートポリマーを使用して保護コーティングを施し、ケーブルに組み立てます。その後、地中に敷設し、建物の壁を通して銅ケーブル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、一度展開されると、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。^{[ 37 ]}

長距離海底データ伝送には、例えば大西洋横断通信ケーブルのような特殊なケーブルが使用されます。商業企業（Emerald Atlantis、Hibernia Atlantic）が運用する新しい（2011～2013年）ケーブルは通常4本の光ファイバーで構成され、信号は60～70ミリ秒で大西洋（ニューヨーク～ロンドン）を横断します 。このようなケーブル1本あたりのコストは2011年時点で約3億ドルでした。^{[ 38 ]}

もう一つの一般的な手法は、例えば光ファイバー接地線を用いて、長距離送電ケーブル内に多数の光ファイバーを束ねることです。これにより、送電用地を効率的に活用でき、電力会社が自社の機器や送電線を監視するために必要な光ファイバーを所有・管理できるようになり、改ざんに対する耐性が高まり、スマートグリッド技術の導入も容易になります。

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歪みによって制限されていました。光電子リピーターを使用することで、これらの問題は解消されました。これらのリピーターは、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送信することで、前の区間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20kmごとに設置する必要があるため、これらのリピーターのコストは非常に高額です。  

別の方法として、光増幅器を用いる方法があります。光増幅器は、信号を電気信号に変換することなく、光信号を直接増幅します。一般的な光増幅器の一つに、エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）があります。これは、光ファイバに希土類元素であるエルビウムを添加し、通信信号よりも波長の短い光（通常980nm）でレーザー励起することによって作製されます。EDFAは、1550nmのITU Cバンドでゲインを提供します。  

光増幅器は、電気式リピーターに比べていくつかの大きな利点があります。第一に、光増幅器は一度に非常に広い帯域を増幅できるため、数百もの多重化チャネルを増幅することが可能で、各増幅器で信号を逆多重化する必要がありません。第二に、光増幅器はデータレートや変調方式に依存せずに動作するため、複数のデータレートや変調方式を共存させることができ、すべてのリピーターを交換することなくシステムのデータレートをアップグレードできます。第三に、光増幅器は同等の機能を持つリピーターよりもはるかに構造が単純であるため、信頼性が大幅に向上します。新規設置においては、光増幅器がリピーターに取って代わるケースがほぼ発生していますが、増幅以上の信号調整が必要な場合は、依然として電子式リピーターが広く使用されています。

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通し、それぞれを個別の情報チャネルで変調することで、1本の光ファイバーを通して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倍増させることができます。これには、送信機器に波長分割多重器、受信機器に逆多重器（実質的には分光器）が必要です。アレイ導波路グレーティングは、WDMにおける多重化と逆多重化によく使用されます。^{[ 39 ]}現在市販されているWDM技術を使用すると、ファイバーの帯域幅を最大160チャネルに分割でき^{[ 40 ]}、結合ビットレートの範囲をサポートできます。1.6 Tbit/s 。

分散の影響はファイバーの長さに比例して大きくなるため、光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。この値は、信号の帯域幅と伝送距離の間にはトレードオフの関係があるため、帯域幅と距離の積となります。例えば、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 伝送したり、1000 MHz の信号を 0.5 km 伝送したりできます。    

波長分割多重方式を用いることで、各光ファイバーはそれぞれ異なる波長の光を使用する多数の独立したチャネルを伝送できる。光ファイバー1本あたりの正味データレート（オーバーヘッドバイトを含まないデータレート）は、チャネルあたりのデータレートから前方誤り訂正（FEC）オーバーヘッドを差し引いた値に、チャネル数（2008年時点の商用高密度WDMシステムでは通常最大80）を乗じた値である。)

現代のガラス光ファイバーでは、最大伝送距離は直接的な物質吸収ではなく、分散、つまり光パルスがファイバー内を伝搬する際に広がる現象によって制限されます。分散はファイバーの帯域幅を制限します。なぜなら、光パルスの広がりによって、ファイバー上でパルスが連続して伝搬し、受信側で識別可能なパルスの数が制限されるからです。光ファイバーにおける分散は、さまざまな要因によって引き起こされます。

異なる横モードの軸方向速度の違いによって生じるモード間分散は、マルチモードファイバーの性能を制限する要因となる。シングルモードファイバーは1つの横モードしかサポートしないため、モード間分散は解消される。

シングルモードファイバーでは、性能は主に色分散によって制限されます。これは、ガラスの屈折率が光の波長によってわずかに変化し、変調によって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です。もう一つの制限要因である偏光モード分散は、シングルモードファイバーは1つの横モードしか維持できませんが、このモードを2つの異なる偏光で伝送できるため、ファイバーのわずかな不完全性や歪みによって2つの偏光の伝搬速度が変化す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生じる分散とは逆の分散特性を持つ特殊なファイバーを用いることで、パルスをシャープにし、電子回路で正しく復号できるようにする仕組みです。

光ファイバーの減衰は、材料吸収、レイリー散乱、ミー散乱、およびコネクタでの損失の組み合わせによって引き起こされます。純粋なシリカの材料吸収はわずか約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。現代のファイバーの減衰は約0.3 dB/kmです。その他の減衰形態は、ファイバーへの物理的ストレス、密度の微細な変動、および不完全な融着接続技術によって引き起こされます。^{[ 79 ]}

減衰と分散に寄与する各効果は、光の波長に依存します。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、これらは伝送に最も適しています。これらのウィンドウは標準化されています。^{[ 80 ]}

この表は、現在の技術によって、元々は分断されていたEウィンドウとSウィンドウが融合し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領域（800～900  nm）が第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、主に短距離通信に使用されていました。現在使用されている1300  nm付近の低波長ウィンドウ（OおよびE）は、損失がはるかに低く、分散はゼロです。1500  nm付近の中間波長ウィンドウ（SおよびC）は、最も広く使用されています。この領域は減衰損失が最も低く、最長の通信距離を実現します。ただし、多少の分散があるため、分散補償器を使用してこれを補正します。

通信リンクが既存の光ファイバー技術の能力を超える長距離に及ぶ必要がある場合、光通信リピーターによってリンクの中間地点で信号を再生成する必要がある。リピーターは通信システムにかなりのコストを追加するため、システム設計者はその使用を最小限に抑えるよう努める。

近年の光ファイバーおよび光通信技術の進歩により、信号劣化が大幅に低減され、光信号の再生は数百キロメートル程度の距離でのみ必要となるようになりました。これにより、光ネットワークのコストが大幅に削減され、特に海底ケーブルにおいては、中継器のコストと信頼性がケーブルシステム全体の性能を左右する重要な要素の一つとなっています。こうした性能向上に貢献している主な技術革新は、分散と非線形性の影響のバランスを取る分散管理と、ファイバー内の非線形効果を利用して長距離にわたって分散のない伝搬を実現するソリトンです。

光ファイバーシステムは高帯域幅アプリケーションで優れた性能を発揮するものの、 FTTH（ Fiber to the Premises ）の普及が遅れているため、ラストマイル問題は未解決のままです。しかし、FTTHの導入は加速しています。例えば日本では、EPONがブロードバンドインターネット接続源としてDSLに取って代わりました。FTTHの導入規模が最も大きいのは日本、韓国、中国です。シンガポールでは、OpenNetが設置を担当するオール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）の導入が始まりました。これは2012年に完成予定です。2010年9月にサービス展開を開始して以来、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。

米国では、Verizon Communicationsが、既存事業地域内のユーザーあたりの平均収益が高い一部の市場向けに、FiOSと呼ばれるFTTHサービスを提供しています。他に主要な既存地域通信事業者であるAT&Tは、ツイストペアケーブルで家庭まで接続するU-verseと呼ばれるFTTN（光ファイバー・ツー・ザ・ノード）サービスを提供しています。競合他社のMSO （マルチシステムオペレーター）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て、同軸ケーブルによる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大部分の距離に光ファイバーを使用しています。

世界的に主流となっているアクセスネットワーク技術は、イーサネットパッシブ光ネットワーク（EPON）です。ヨーロッパや米国の通信事業者においては、ATMベースのブロードバンドPON（BPON）とギガビットPON （GPON）が、フルサービスアクセスネットワーク（FSAN）やITU-Tといった標準化団体の傘下で発展してきました。