光波長多重通信

光波長多重通信（WDM）とは

光波長多重通信（Wavelength Division Multiplexing：WDM）は、一本の光ファイバーケーブルを用いて、複数の異なる波長の光信号を同時に伝送する技術です。この技術により、光ファイバーの伝送容量を大幅に向上させることが可能となります。WDMは、光ファイバー通信において、高速かつ大容量のデータ通信を実現するための基盤技術として広く利用されています。

概要

光波長多重通信の基本的な原理は、異なる波長の光信号が、光ファイバー内でお互いに干渉することなく独立して伝搬する性質を利用することです。これにより、複数の光信号を一本の光ファイバーに多重化して伝送できます。これは、電気信号を同軸ケーブルで伝送する場合とは異なり、光信号は特定の条件下（ラマン光増幅や分散シフト光ファイバーの非線形現象など）を除いて、他の波長の光信号と干渉しにくいという特性に基づいています。

この技術を用いることで、単一の光信号で通信する場合と比較して、使用する波長の数だけ、具体的には数倍から数千倍もの情報量を同じケーブルで送信することが可能になります。現在では、数Tbps（テラビット毎秒）といった高速通信が実用化されており、今後も更なる大容量化が見込まれています。

ただし、使用する信号の波長帯は自由に選択できるわけではありません。光ファイバーの伝送特性、特に信号の減衰や材料分散の影響を考慮する必要があります。これらの影響は特定の波長帯から外れると大きくなるため、通信を安定させるためには、使用する波長を一定の範囲内に制限する必要があります。

光信号を多重化する際、波長の間隔によって、Dense WDM（DWDM）とCoarse WDM（CWDM）の二つに分類されます。DWDMは波長間隔が狭く、より多くの波長を多重化できるため、大容量通信に適しています。一方、CWDMは波長間隔が広く、多重化できる波長数は少ないものの、低コストでシステムを構築できるという利点があります。一般的に、波長間隔が20nm以上であればCWDMと見なされます。

さらに、WDMの特性を活用することで、異なる種類や目的の通信信号、異なるプロトコルの通信を、同一の光ファイバー上で同時に伝送することも可能です。これにより、例えば、SDHとギガビットイーサネットなどの異なる通信規格を、一本の光ファイバー上で共存させることができます。

歴史的経緯

WDM技術は、主に海底ケーブルの効率的な活用を目的として開発されました。光ファイバー海底ケーブルの敷設には、莫大な費用と時間がかかるため、WDM技術は、限られたケーブル資源を最大限に活用するための有効な手段として登場しました。

以前は、通信容量を増強するためには、送受信装置の高度化や光ファイバーケーブルの追加敷設が必要でしたが、WDM技術の登場により、既存のケーブルを有効活用しながら、より多くのデータを送受信することが可能になりました。また、ケーブル敷設のコストを削減するだけでなく、WDM対応機器への更新のみで済むため、通信コストの削減にも貢献しています。

近年では、インターネット、特にブロードバンドの普及に伴うネットワークトラフィックの増大に対応するための技術としても期待されています。また、FTTH（Fiber To The Home）の普及に伴い、上り・下り信号の分割や、光通信系と光放送系の複数信号の多重化など、幅広い応用が進められています。

技術

波長多重

CWDM (Coarse WDM)

CWDMは、1290nmから1610nmの波長帯を使用し、波長間隔を20nm程度に設定して、最大16波長の多重化を実現します。ただし、実際には1470nm～1610nmの範囲で8波長程度を多重化する機器が主流です。波長間隔が広いため、光増幅器の使用が難しく、伝送距離はおおむね50km程度に制限されます。

DWDM (Dense WDM)

DWDMは、より多くの波長を多重化するために、波長間隔を狭く設定した技術です。最大で1000以上の波長を多重化することが可能で、通信事業者のバックボーンネットワークなどで利用されています。DWDMでは、専用の光増幅器や分散補正器が利用できるため、長距離伝送にも対応できます。波長の多重化は、周波数193.10THz（波長1552.52nm）を基準とし、100GHzまたは50GHz間隔で周波数帯を分割して行われます。

DWDMは、波長間隔が非常に狭いため、光源となるレーザーダイオードの温度管理が非常に重要です。そのため、CWDMと比較して装置が高額になる傾向があります。

補足説明

周波数が193.10THzのとき、周波数を100GHz増加させることは、波長を約0.8nm縮めることに相当します。光の伝播速度をv、波長をλ、周波数をfとすると、これらの間には以下の関係が成り立ちます。


v = λf


この式から、波長λは次のように表すことができます。


λ = v/f


周波数の増加に対する波長の減少は、以下の式で表すことができます。


δλ = (d/df)(v/f)δf = -v/f^2 δf


ここで、光の速度v=300 × 10^6 m/s、周波数f=193.10 × 10^12 Hz、周波数の変化δf=100 × 10^9 Hzとすると、波長の減少量δλは約0.8nmとなります。

波長選択

OXC (Optical Cross Connect)

OXCは、光信号の経路を切り替えるための装置です。これにより、ネットワークの柔軟性が向上し、需要に応じて光パスを動的に変更できます。

OADM (Optical Add Drop Multiplexer)

OADMは、光信号の分離と結合を行うための装置です。特定の波長の信号をネットワークに追加したり、取り出したりする機能を提供します。この装置により、ネットワーク内で柔軟な信号の管理が可能になります。

波長帯

光ファイバー通信で使用される波長帯は、主に以下の5つに分類されます。

Oバンド (Original band): 1.260～1.360[μm]。波長分散が小さく、1.31[μm]付近がよく用いられます。
Eバンド (Extended band): 1.360～1.460[μm]。
Sバンド (Short wavelength band): 1.460～1.530[μm]。
Cバンド (Conventional band): 1.530～1.565[μm]。伝送損失が最小となる波長帯で、1.55[μm]付近がよく用いられます。
Lバンド (Long band): 1.565～1.625[μm]。

関連項目

光通信
多重化
フォトニックネットワーク
カオの法則
セルフォックマイクロレンズ

もう一度検索