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光ファイバー、オレンジと青のケーブルはマルチモード光ファイバー（それぞれ62.5/125 μm OM1と50/125 μm OM3）です。
ステルス・コミュニケーションズのファイバー作業員が、ニューヨーク市マンハッタンのミッドタウンの地下に432本のダークファイバーケーブルを設置している。

光ファイバー通信は、光ファイバーを通し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光通信の一形態です。[ 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、およびテレメトリを伝送できます。[ 5 ]

光ファイバーは、多くの通信会社によって電話信号、インターネット通信、ケーブルテレビ信号の伝送に使用されています。ベル研究所の研究者たちは、光ファイバー通信を用いて、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 ]

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 ]電気伝送に比べて優れた点があるため、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いて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。

  1. 送信機を使用して光信号を生成する[ 9 ]通常は電気信号から
  2. 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
  3. 光信号を受信する
  4. 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、通信会社によって電話信号、インターネット通信、ケーブルテレビ信号の伝送に使用されています。また、医療、防衛、政府、工業、商業など、他の産業でも使用されています。通信用途に加えて、ライトガイド、画像ツール、レーザー、地震波用ハイドロフォン、ソナー、圧力や温度を測定するセンサーなどにも使用されています。

光ファイバーは、減衰と干渉が少ないため、長距離・高帯域幅の用途において銅線よりも優位性があります。しかし、都市部におけるインフラ整備は比較的困難で時間がかかり、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。こうした困難さから、初期の光ファイバー通信システムは、伝送容量を最大限に活用することでコスト増加を相殺できる長距離用途に主に導入されました。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費用は、銅線ベースのネットワーク敷設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低くなります。

光増幅システムが商用化された1990年以降、通信業界は都市間および大洋横断の光ファイバー通信回線網を大規模に敷設してきました。2002年には、総延長25万km、容量2.56Tb/sの大陸間海底通信ケーブル網が完成しました。具体的なネットワーク容量は秘匿情報ですが、通信投資報告書によると、2004年以降、ネットワーク容量は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D.C.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た。ベルはこれを自身の最も重要な発明と考えていた。この装置は光線に音を乗せて伝送することを可能にした。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伝送を行った。 [ 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って安全な光の伝送が可能になるまで実用化されなかった。フォトフォンが初めて実用化されたのは、数十年後の軍事通信システムであった。[ 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実証しました。[ 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。

1970年、コーニング・グラス・ワークス社は、通信用途に十分な減衰率（約20 dB / km ）を持つ光ファイバーを開発しました。同時に、小型で光ファイバーケーブルを介した長距離光伝送に適した 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（高等研究計画局）から世界初の光通信システムの一つの契約を獲得しました。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を行うことを目的としていました。[ 20 ]その後、オプテレコム社はシェブロン社に最初の商用光通信システムを納入しました。[ 21 ]

1975年からの研究期間を経て、約0.8μmの波長で動作し、GaAs半導体レーザーを用いた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。この第一世代システムは、最大10kmの中継間隔で45Mbpsのビットレートで動作しました。そしてまもなく、1977年4月22日、ゼネラル・テレフォン・アンド・エレクトロニクス社はカリフォルニア州ロングビーチで、光ファイバーを介して6Mbpsのスループットで最初の電話トラフィックを送信しました。[ 22 ]

1973年10月、コーニンググラスはCSELTと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、トリノで2本の回線（9km）に実験的に敷設され、大都市では初めて、速度140Mbit/sで敷設された。[ 23 ]

第二世代の光ファイバー通信は1980年代初頭に商用利用向けに開発され、1.3μmで動作し、InG​​aAsP半導体レーザーが使用されました。これらの初期のシステムは当初、マルチモードファイバ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がシステム性能を大幅に向上させることが明らかになりました。しかし、シングルモードファイバで動作可能な実用的なコネクタの開発は困難でした。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ネットワークの建設を完了しました。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ていました。[ 24 ] 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、リピーター間隔最大 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社の最適化されたレーザー増幅技術をベースにしたTAT-8で、 1988年に運用開始されました。

第三世代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。技術者たちは、 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光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、従来のInGaAsP半導体レーザーを使用してこの波長でパルス拡散を行う際の初期の困難を克服しました。これらの開発により、最終的に第三世代システムは1.55μmで商用運用できるようになりました。2.5 Gbit/s、リピーター間隔は 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を減らし、波長分割多重（WDM）によってデータ容量を増やしました。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。[ 25 ]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社でした。[ 26 ]光増幅器とWDMの導入により、1992年から6ヶ月ごとにシステム容量が倍増し、1998年にはビットレートが2倍になりました。2001年には10Tb  /sに達し、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14Tb/sの伝送速度が達成されました。 [ 27 ] 2021年現在、日本の科学者は標準ケーブル径の4芯光ファイバケーブルを使用して、3,000kmにわたって毎秒319テラビットの伝送に成功しました。[ 28 ]

第5世代光ファイバ通信の開発の焦点は、WDMシステムが動作可能な波長範囲の拡大にあります。従来の波長ウィンドウはCバンドと呼ばれ、1525～1565nmの波長範囲をカバーしています。ドライファイバーは低損失ウィンドウを備えており、この範囲を1300～1650nmまで拡張できます。その他の開発としては、光ソリトンの概念があります。これは、特定の形状のパルスを使用することで、ファイバーの 非線形効果によって分散の影響を打ち消し、形状を維持するパルスです。

1990年代後半から2000年にかけて、業界の推進者やKMI、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ていました。インターネット・プロトコル・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、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の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。

2022年のロシアによるウクライナ侵攻では、ドローンの通信に光ファイバーが利用されました。電子戦妨害に対する耐性が高いことから、両陣営で利用されています。[ 29 ]

テクノロジー

現代の光ファイバー通信システムは、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、そして信号を再び電気信号に変換する光受信機で構成されています。伝送される情報は通常、コンピュータや電話システムによって生成されたデジタル情報です。

送信機

GBICモジュール（カバーを外した状態）は、光・電気トランシーバであり、送信機と受信機を1つの筐体に統合したデバイスです。電気コネクタは右上、光コネクタは左下にあります。

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。光通信に使用する半導体光送信機は、最適な波長範囲で動作し、高周波で直接変調されながら、コンパクトで効率が高く、信頼性の高い設計が求められます。

LEDは、最も単純な形態では、自然放出（エレクトロルミネッセンス）と呼ばれる現象によって光を発します。放出される光は非干渉性で、スペクトル幅は30～60 nmと比較的広いです。[ a ] LEDの広いスペクトル幅は光ファイバーの分散を大きく左右し、ビットレート距離積（有用性の一般的な指標）を大幅に制限します。LEDは、主にビットレートが10～100 Mbit/sで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用途に適しています。

LEDの光伝送は効率が悪く、入力電力の約1％、つまり約100マイクロワットしか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せん。[ 30 ]

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、ほぼ同等のコストで、速度、出力、スペクトル特性に優れ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。しかし、LEDは比較的シンプルな設計のため、非常に低コストのアプリケーションに非常に有用です。光ファイバーで一般的に使用される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射するため、高出力（約100 mW）が得られるほか、コヒーレント光の特性に関連する他の利点も得られます。レーザー出力は比較的指向性が高いため、シングルモードファイバーへの結合効率（約50%）が高くなります。一般的なVCS​​ELデバイスは、マルチモードファイバーとの結合にも適しています。また、スペクトル幅が狭いため、色分散の影響が低減され、高いビットレートを実現できます。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、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、光は外部デバイスである光変調器（電界吸収型変調器やマッハ・ツェンダー干渉計など）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、光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ばします。非常に高い帯域幅効率を実現するために、コヒーレント変調を使用して光の振幅に加えて位相を変化させ、QPSK、QAM、OFDMの使用を可能にします。「二重偏波直交位相偏移変調は、同じ速度の従来の光伝送に比べて4倍の情報を効果的に送信できる変調方式です。」[ 31 ]

受信機

光受信機の主要部品は、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装置 への回路統合に適しているため使用されます。

光は光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増幅器とリミッティング増幅器と組み合わせて、入力光信号から電気領域のデジタル信号を生成します。さらに、位相同期回路によるデータからのクロック再生などの信号処理が、データ転送前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を一対のハイブリッド カプラと偏光ごとに 4 つの光検出器と組み合わせて使用​​し、その後に高速 ADC とデジタル信号処理を使用して、QPSK、QAM、または OFDM で変調されたデータを復元します。

デジタルプリディストーション

光通信システムの送信機は、デジタル-アナログ変換器（DAC）、駆動増幅器、マッハ・ツェンダー変調器で構成されています。より高次の変調方式（> 4-QAM）やより高いボーレート（>32GBd  ）は、線形および非線形の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帯域幅の制限と送信機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これらの劣化効果を打ち消し、最大32GBdのボーレートを実現します。市販のコンポーネントを用いて、56GBdおよび64QAMや128QAMなどの変調方式に対応します。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、逆送信機モデルを用いて入力信号にデジタルプリディストーションを適用します。

従来のデジタルプリディストーション法は線形効果のみを対象としていました。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。[ 32 ] Khannaらはメモリ多項式を用いて送信機コンポーネントを共同で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用いて求められています。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、光場を計算します。同相および直交位相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。[ 34 ]

光ファイバーケーブルの種類

光ファイバーを運ぶことができるコンジットを備えたケーブルリールトレーラー
地下サービスピット内のマルチモード光ファイバー

光ファイバーケーブルは、コア、クラッド、バッファ（外側の保護膜）で構成され、クラッドは全反射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、どちらもプラスチックで作られることもあります。2本の光ファイバーの接続は、融着接続またはメカニカルスプライシングによって行われますが、ファイバーコアの位置合わせには微細な精度が求められるため、特別なスキルと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い (≥  50マイクロメートル) ため、精度は低くなりますが安価な送信機や受信機、コネクタも使用できます。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発生させるため、リンクの帯域幅と長さが制限されることがあります。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径は小さく (<  10 マイクロメートル)、より高価な部品と相互接続方法が必要になりますが、リンクの長さと性能が大幅に向上します。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。

繊維グレードの比較[ 36 ]
繊維の種類紹介されたパフォーマンス
MMF FDDI 62.5/125 µm1987 160 MHz·km @ 850 nm
MMF OM1 62.5/125 µm1989 200 MHz·km @ 850 nm
MMF OM2 50/125 µm1998 500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM3 50/125 µm20031500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM4 50/125 µm20083500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM5 50/125 µm20163500 MHz·km @ 850 nm + 1850 MHz·km @ 950 nm
SMF OS1 9/125 µm19981.0 dB/km @ 1300/1550 nm
SMF OS2 9/125 µm20000.4 dB/km @ 1300/1550 nm

光ファイバーを商業的に実現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用いて保護コーティングし、ケーブル状に組み立てます。その後、地中に敷設し、建物の壁を貫通させて、銅線と同様に空中に配線することができます。これらの光ファイバーは、一度敷設すれば、一般的なツイストペア線よりもメンテナンスの手間が少なくて済みます。[ 37 ]

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用いられます。民間企業が運用する新しいケーブル（2011～2013年）（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芯の光ファイバーで構成され、信号は60～70ミリ秒で大西洋（ニューヨーク市～ロンドン）を横断します。2011年時点で、このようなケーブル1本あたりのコストは約3億ドルでした。[ 38 ]

もう一つの一般的な方法は、例えば光接地線を用いて、多数の光ファイバー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、送電線使用権を有効活用し、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、事実上改ざんの脅威から保護され、スマートグリッド技術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、光ファイバーの減衰と歪みによって制限されていました。光電子中継器を使用することで、これらの問題は解消されます。これらの中継器は信号を電気信号に変換し、送信機を用い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（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。

代替的なアプローチとして、光信号を電気領域に変換することなく直接増幅する光増幅器を使用する方法があります。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 励起することによって作られます。EDFAは、1550 nmのITU Cバンドで利得を提供します。

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。第一に、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。第二に、光増幅器はデータレートや変調方式とは独立して動作するため、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、中継器全体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、信頼性が大幅に向上します。新規設備では、中継器は光増幅器に大きく置き換えられていますが、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それぞれ別の情報チャネルで変調し、単一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における多重化とデマルチプレクシングに一般的に使用されています。[ 39 ]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[ 40 ]、1.6  Tbit/s。

パラメータ

帯域幅と距離の積

分散の影響は光ファイバーの長さに伴って増大するため、光ファイバー伝送システムは帯域幅距離積（通常MHz・km単位）で特性評価されることが多い。この値は帯域幅と距離の積で表され、信号の帯域幅と伝送距離の間にはトレードオフが存在するためである。例えば、帯域幅距離積が500MHz・kmの一般的なマルチモード光ファイバーは、500MHzの信号を1km、1000MHzの信号を0.5km伝送することができる。

記録的な速度

波長分割多重化（WDM）を用いることで、各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）のオーバーヘッドを差し引き、チャネル数を乗じた値です（ 2008年現在、 商用の高密度WDMシステムでは通常最大80チャネル）。

標準光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。

年 組織 総速度 帯域幅 スペクトル効率、（ビット/秒）/HzWDMチャネル チャネルあたりの速度 距離
2009 アルカテル・ルーセント[ 41 ]15.5 テラビット/秒 155 100ギガビット/秒 7000キロ
2010 NTT [ 42 ]69.1 テラビット/秒 432 171 ギガビット/秒 240キロ
2011 NEC [ 43 ]101.7 テラビット/秒 370 273 ギガビット/秒 165キロ
2011 キット[ 44 ] [ 45 ]26テラビット/秒 336 [ A ]77 ギガビット/秒 50キロ
2016 BTとファーウェイ[ 46 ]5.6 テラビット/秒 28 200 ギガビット/秒 約140キロ？
2016 ノキアベル研究所、ドイツテレコム、ミュンヘン工科大学[ 47 ] [ 48 ]1テラビット/秒 5～6.75 4 250 ギガビット/秒 419～951キロ
2016 ノキア・アルカテル・ルーセント[ 49 ]65 テラビット/秒 6600キロ
2017 BTとファーウェイ[ 50 ]11.2 テラビット/秒 6.25 28 400 ギガビット/秒 250キロ
2020 RMIT、モナッシュ、スウィンバーン大学[ 51 ] [ 52 ]39.0～40.1 テラビット/秒 約4テラヘルツ 10.4 (10.1–10.4) 160 [ A ]244 ギガビット/秒 76.6キロ
2020 UCL [ 53 ]178.08 テラビット/秒 16.83テラヘルツ 10.8 660（S、C、Lバンド） 270 ギガビット/秒 40キロ
2023 NICT [ 54 ]301 テラビット/秒 27.8テラヘルツ 10.8 1097（E、S、C、Lバンド） 250～300 ギガビット/秒 50～150キロ
2024 NICT [ 55 ]402 テラビット/秒 37.6テラヘルツ 10.7 1505（O、E、S、C、L、Uバンド） 170～320 ギガビット/秒 50キロ
  1. ^ a b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。

年 組織 総速度 コアあたりの速度 帯域幅 スペクトル効率（ビット/秒）/Hz 伝播モードの数 コア数 WDMチャネル（コアあたり） チャネルあたりの速度 距離
2011 NICT [ 43 ]109.2 テラビット/秒15.6 テラビット/秒7
2012 NEC、コーニング[ 56 ]1.05 ピコビット/秒87.5 テラビット/秒12 52.4キロ
2013 サウサンプトン大学[ 57 ]73.7 テラビット/秒73.7 テラビット/秒1（中空） 3 × 96（モードDM）[ 58 ]256 ギガビット/秒310メートル
2014 デンマーク工科大学[ 59 ]43 テラビット/秒6.14 テラビット/秒7 1045キロ
2014 アイントホーフェン工科大学（TU/e）とセントラルフロリダ大学（CREOL）[ 60 ]255 テラビット/秒36.4 テラビット/秒7 50 約728ギガビット/秒1キロ
2015 NICT、住友電工、RAMフォトニクス[ 61 ]2.15 ピコビット/秒97.7 テラビット/秒22 402（C、Lバンド） 243 ギガビット/秒31キロ
2017 NTT [ 62 ]1 ピコビット/秒31.25 テラビット/秒シングルモード 32 46 680 ギガビット/秒205.6キロ
2017 KDDI総合研究所と住友電工[ 63 ]10.16 ピコビット/秒535 テラビット/秒6モード 19 739（C、Lバンド） 120 ギガビット/秒11.3キロ
2018 NICT [ 64 ]159 テラビット/秒159 テラビット/秒トライモード 1 348 414 ギガビット/秒1045キロ
2020 NICT [ 65 ]10.66 ピコビット/秒280.5 テラビット/秒9.2テラヘルツ30.5 トライモード 38368（C、Lバンド） 762 ギガビット/秒13キロ
2021 NICT [ 66 ]319 テラビット/秒79.8 テラビット/秒シングルモード 4 552（S、C、Lバンド） 144.5 ギガビット/秒3001 km (69.8 km)
2022 NICT [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]1.02 ピコビット/秒255 テラビット/秒4 801（S、C、Lバンド） 51.7キロ
2022年[ A ]デンマーク工科大学[ 70 ] [ 71 ]1.84 ピコビット/秒49.7 テラビット/秒37 223 223 ギガビット/秒7.9キロ
2022 NICT [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]1.53 ピコビット/秒1.53 ピコビット/秒4.6テラヘルツ33255（110-MIMOマルチプレクサ） 1 184（Cバンド） 1.03 テラビット/秒25.9キロ
2023 NICT [ 75 ]22.9 ピコビット/秒603 テラビット/秒18.8テラヘルツ32 トライモード 38750（S、C、Lバンド） 803.5 ギガビット/秒13キロ
  1. ^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。

年 組織 実効速度 伝播モードの数 コア数 WDMチャネル（コアあたり） チャネルあたりの速度 距離
2018 ハオ・フーら。 (DTU、フジクラ、NTT) [ 76 ]768 テラビット/秒 (661 テラビット/秒) シングルモード 30 80 320 ギガビット/秒

オーストラリア、メルボルンのRMIT大学の研究により、らせん状にねじれた光波にデータを乗せて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速度の100倍の高速化が達成されました。[ 77 ] この技術は軌道角運動量（OAM）として知られています。このナノフォトニックデバイスは、極薄シートを用いて、数ミリメートルのねじれた光を測定します。このナノ電子デバイスは、USBコネクタよりも小さなコネクタに埋め込まれており、光ファイバーケーブルの端部に取り付けることができます。[ 78 ]

分散

現代のガラス光ファイバーでは、最大伝送距離は材料の直接的な吸収ではなく、分散、つまり光ファイバーを伝搬する光パルスの広がりによって制限されます。分散は光ファイバーの帯域幅を制限します。これは、広がる光パルスが、受信器で識別可能なまま光ファイバー上で連続して伝搬できるパルスの速度を制限するためです。光ファイバーにおける分散は、様々な要因によって引き起こされます。

異なる横モードの軸速度の違いによって生じるモード間分散は、マルチモード光ファイバーの性能を制限します。シングルモード光ファイバーは1つの横モードのみをサポートするため、モード間分散は発生しません。

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。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です。もう一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つだけですが、このモードを2つの異なる偏波で伝送できるため、光ファイバーのわずかな欠陥や歪みが2つの偏波の伝搬速度を変化させ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抑制できます。

分散、特に波長分散は、分散補償器によって除去できます。これは、伝送ファイバによって誘起される分散とは逆の分散を持つ特別に準備されたファイバを使用することで機能し、パルスをシャープにして、電子機器によって正しくデコードできるようにします。

減衰

光ファイバーの減衰は、物質吸収、レイリー散乱、ミー散乱、そしてコネクタにおける損失の組み合わせによって引き起こされます。純粋なシリカの場合、物質吸収は約0.03 dB/kmです。初期の光ファイバーでは、不純物によって約1000 dB/kmの減衰が発生しました。現代の光ファイバーでは、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、そして不完全な接続技術によって引き起こされます。[ 79 ]

トランスミッションウィンドウ

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く、透過に最も有利な波長帯域（または波長窓）があります。これらの波長窓は標準化されています。[ 80 ]

光ファイバー通信の標準帯域
バンド 説明 波長範囲
Oバンド オリジナル 1260～1360 nm
Eバンド 拡張 1360～1460 nm
Sバンド 短波長 1460～1530 nm
Cバンド 従来型（エルビウムウィンドウ） 1530～1565 nm
Lバンド 長波長 1565～1625 nm
Uバンド 超長波長 1625～1675 nm

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帯（第1ウィンドウ）が800～900nmに存在していました。しかし、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す。現在、1300nm付近のより低い波長帯（OおよびE）では損失がはるかに低くなっています。この領域は分散がゼロです。最も広く使用されているのは、1500nm付近の中間の波長帯（SおよびC）です。この領域は減衰損失が最も低く、最長距離を実現します。ただし、ある程度の分散が存在するため、分散補償器を用いてこれを解決しています。

再生

既存の光ファイバー技術の能力を超える距離の通信リンクが必要な場合、リンクの中間地点で光通信中継器を用いて信号を再生する必要があります。中継器は通信システムに多大なコストを追加するため、システム設計者は中継器の使用を最小限に抑えるよう努めます。

近年の光ファイバーおよび光通信技術の進歩により、信号劣化が低減し、光信号の再生は数百キロメートルの距離でのみ必要となりました。これにより、光ネットワークのコスト、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性能を左右する重要な要因の一つとなる海底ケーブルにおいて、コストが大幅に削減されました。こうした性能向上に貢献する主な技術革新は、分散と非線形性のバランスをとる分散管理と、光ファイバー内の非線形効果を利用して長距離にわたり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アプリケーションに優れていますが、 FTTH（ Fiber To The Home ）の普及が鈍いため、ラストマイル問題は未解決のままです。しかしながら、FTTH（ Fiber To The Home）の導入は加速しています。例えば日本では、ブロードバンドインターネット接続手段として、 EPONがDSLに大きく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、OpenNet社が構築するオールファイバー方式の次世代全国ブロードバンドネットワーク（Next Gen NBN）の導入を開始しました。これは2012年の完成が予定されており、2010年9月のサービス開始以来、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、ベライゾン・コミュニケーションズが既存営業地域内のユーザー当たり平均収益の高い厳選された市場を対象に、FiOSと呼ばれるFTTHサービスを提供しています。現在も存続しているもう一つの大手地域通信事業者であるAT&Tは、ツイストペア線を用いたU-verseと呼ばれるFTTN（Fiber To The Node ）サービスを提供しています。一方、MSO（マルチサービス事業者）の競合他社は、光ファイバーと同軸ケーブルを組み合わせたハイブリッドネットワークを用いて、同軸ケーブルを用いた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技術は、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。欧州および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）は、フルサービス・アクセス・ネットワーク（FSAN）とITU-T標準化団体が主導する形 で誕生しました。

電気伝送との比較

地下ケーブルにアクセスして接続するために使用される移動式光ファイバー接続ラボ
地下の光ファイバー接続筐体が開いた

特定のシステムにおいて、光ファイバーと電気（または銅線）伝送のどちらを選択するかは、いくつかのトレードオフに基づいて決定されます。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では対応できない長距離を伝送す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、損失が非常に低いこと (中継器間の距離を長くできる)、長い並行した電気導体でよく見られる接地電流やその他の寄生信号および電力の問題がない (伝送に電気ではなく光を使用する点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、電力線や線路沿いなど、電磁干渉(EMI)が大きい場所にも敷設できます。 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（光ファイバーの溶断）の影響を受けやすく、その結果、ファイバーコアが壊滅的に破壊され、伝送部品が損傷する可能性があります。[ 81 ]

短距離かつ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。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ない。

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。
  • 電気抵抗が高く、高電圧機器の近くや接地電位の異なる場所の間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環境では重要です。[ 82 ]
  • 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は重要です。
  • 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、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。

統治基準

様々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部品を開発できるようにするために、多くの規格が策定されています。国際電気通信連合（ITU）は、光ファイバー自体の特性と性能に関するいくつかの規格を発行しています 。

  • 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、適合システムで併用される光ファイバー、送信機、受信機の性能基準を規定しています。これらの規格には、以下のようなものがあります。

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

注記

  1. ^通信用LEDは、一般的にインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）またはガリウムヒ素（GaAs）で作られています。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、エネルギーは同等ですが、出力スペクトルは波長換算で約1.7倍広くなります。

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  82. ^ McAulay, Alastair D. (2011). 『防衛のための軍事レーザー技術：21世紀の戦争を革新する技術』John Wiley & Sons. ISBN 9781118019542光センサーは、ファイバーが破損したりカバーが摩耗したりしても火花が出ないため、危険な環境でも有利です。

さらに読む

  • カイザー、ゲルト（2011年）『光ファイバー通信』第4版、ニューヨーク：マグロウヒル、ISBN 9780073380711
  • シニア、ジョン（2008年）『光ファイバー通信：原理と実践』第3版、プレンティス・ホール出版、ISBN 978-0130326812
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