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第141回 「光の道」を通るのは何? 〜光通信の仕組み〜

 最近ニュースでよく見かけるキーワードが「光の道」。日本中の全ての場所から、光ファイバーを使って高速な通信ができるようにネットワークを整備する計画について、検討が進んでいます。今回のテクの雑学では、光ファイバーをつないで情報を伝える、光通信の仕組みについてみてみましょう。

光の点滅で情報を伝える
 世界で最初に光通信を行ったのは、電話を発明したアレキサンダー・グラハム・ベルでした。ベルの実験では、音声による空気の動きで鏡を振動させて光の強弱を作り出し、それを電気に変換することで213メートル先にあるスピーカを鳴らすことに成功しました。

音声によって鏡を振動することで光の明るさを変化させる。光電変換(特定の物質に光をあてると電流が発生する現象)により、光を電流に変えて、スピーカを鳴らす。

 ベルの実験では光の強弱で音という情報を伝えましたが、1と0の組み合わせで表現されているデジタルデータは、光の「点滅」にそのまま置き換えることができます。つまり、光通信とは、光の点滅で情報を伝えることなのです。

「光の点滅」を遠くまで伝えるための光ファイバーと増幅器
 光の点滅を使って情報を伝えるというアイデアを実用化するためには、2つの課題がありました。

 一つめは、光の減衰を防ぐ方法です。弱い光を遠くまで届けるための媒体の開発です。空中で発せられる光は距離が離れると拡散され、どんどん弱くなり距離が離れると見えなくなってしまいます。
 もう一つは、情報を信号として発信するための光源の開発です。光の点滅を間違いなく伝え、安定した通信を行うためには、小電力で安定した強さと周波数の光が出せる光源が必要なのです。また、情報伝達の速さは光の点滅の速さによりますから、高速な通信のためには高速な点滅ができることも重要なポイントです。

 この問題を解決したのが、半導体レーザー光源と光ファイバーの発明でした。送り手側の端末から電気信号として送出されるデジタルデータを、電気→光変換器で半導体レーザー光の点滅に変換し、光ファイバーを通して送出します。受け手側では、光の点滅を電気信号に変換してデジタルデータを取り出すという仕組みで、光を使った長距離の高速通信が可能になったのです。


 光ファイバーとは、透明なコアと屈折率の異なるクラッドの二層構造により、光の減衰を抑えて離れたところまで導く線です。


参考情報
テクの雑学 第105回 通信用だけじゃない −光を届ける光ファイバー−

 しかし、光ファイバーを通っても、伝達距離が長くなると、光は少しずつ減衰していきます。さらに伝達距離を延ばすための仕組みが、光の増幅器を用いた中継です。


 光増幅器は、特定の物質に特定の波長の光(励起光)を当てると、異なる波長の光を放出するという性質を利用しています。光通信でよく使われる波長の光を増幅するためには、エルビウムという物質がよく使われています。

 光増幅器では、弱くなった信号光と、増幅用に使用する波長の励起光を「光合分波器」で合成し、信号光の点滅に合わせたタイミングで励起光も点滅するような信号を作り出します。その光をエルビウムを添加した光ファイバーに通すと、エルビウムが励起光を吸収して、信号光と同じ波長の光を、信号光と同じタイミングで放出します。こうして、増幅器を通すことで、弱くなった光が再び強くなるのです。

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