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光通信技術は、各家庭へのインターネットアクセス、構内LAN、通信局内伝送、局間伝送、携帯基地局－交換局間伝送、都市間伝送、海底の大陸間通信ケーブルなど、あらゆるスケールで世界の通信インフラの中核技術として重要な役割を担っています。
光通信技術の歴史は浅いですが、その高速性／大容量／低遅延を活かしてますます発展を続けるでしょう。
NTTが提唱するIOWN（Innovative Optical Wireless Network）構想の中心技術としても注目されています。
本稿では、光通信技術の仕組み、メリット／デメリット、将来展望までを詳しく解説します。
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光通信技術の基本
本章では光通信技術の基本と特徴を説明します。
情報発信側の電気のデジタル信号を光の点滅に変換し、光ファイバーケーブルを媒体として伝送を行い、受光器で光信号を電気信号に戻し、情報受信側が受け取るという流れで光通信が行われます。
光通信とは何か？
光通信とは、光ファイバーケーブルを媒体とした通信伝送技術です。
発信側の電気のデジタル信号を、レーザーもしくはLEDのE/O（電気／光）変換器で光信号の点滅に変換します。
光ファイバーケーブルは石英もしくはプラスチックでできており、光を通しやすくなっています。
光ファイバーケーブルの中に光信号を閉じ込めて長距離を伝送します。
超長距離を伝送する基幹ネットワークでは、途中に中継器がある場合があります。
光が減衰したところでEDFA（エルビウム添加光ファイバー増幅器）により光信号のまま信号を増幅し、さらに長距離を伝送します。
光ファイバーケーブルの受信端ではO/E（光／電気）変換器で光信号を電気のデジタル信号に戻します。
このようにして光通信が行われます。
基幹ネットワークで大容量の信号を伝送する場合は、DWDM（高密度波長分割多重）の技術を用いて、一本の光ファイバーケーブル内に、波長の微妙に異なる複数の光信号を束ねて、多重／分離を行う方式も取られます。
光通信の歴史
光通信の歴史は浅く、1980年代初頭に遡ります。
世界の光通信のイニシアチブは最初日本が握ります。
当初は構内LANの通信用や、電話局内の通信目的で、100メートル～400メートルほどの短距離を結ぶものが用いられました。
1980年代中頃までにNTTの光専用回線やISDN1500などが実用化され、企業間通信に用いられるようになります。
1990年代に入り、光波長多重の技術が導入されて基幹ネットワークに取り入れられます。
また、1990年代後半には、フレームリレーやATM交換網の光ネットワークが企業間通信で使われるようになります。
2000年以降は、急速なモバイルネットワークの普及により、携帯基地局と交換局間の通信に光通信が利用されるようになります。
家庭ではFTTH（Fiber To The Home）のインターネットサービスが一般的になり、マンションへの光回線の引き込みが普及します。
さらに、GAFAM（Google、Amazon、Facebook、Apple、Microsoft）やOTT（Netflix、Spotifyなど）に代表される巨大グローバルIT企業が台頭し、急増する国際間インターネットトラフィックに対処するため、海底光ファイバーケーブルの敷設が進むようになります。
光通信技術の仕組み
光通信技術の構成要素は、媒体である光ファイバーケーブル、光源であるE/O変換器、受信機であるO/E変換器、信号を増幅する中継器、光信号を分岐／合流する分岐器、波長多重を行うDWDM機器などに分けられます。
本章では光ファイバーケーブルと光源、受信機について詳説します。
光通信の構成要素は、光インターフェースのスピーカー、構内LAN、FTTHといった小規模な物から、局間伝送・海底光ファイバーケーブルのような大規模な物まで、様々なスケールの製品が存在します。
光ファイバーケーブル
光通信の媒体は光ファイバーケーブルです。
短距離のものは透明度が高いプラスチック、長距離のものは光の減衰率が極めて低い（15キロメートルで半減）石英ガラスが素材として使われます。
光ファイバーケーブルはコアとクラッドという二層に分かれた同心円状の構造です。
コアが中心にあり、周りをクラッドが取り囲みます。
クラッドの直径は125マイクロメートルのものが多いです。
クラッドの外側にはプラスチックの被覆が巻かれ、強度を補強します。
海底光ファイバーケーブルの場合は、金属製のワイヤーの周りに複数本の光ファイバーケーブルを束ね、さらにケースで覆って強度を保ちます。
コアとクラッドは微妙に光の屈折率が異なっており、その境界面で鏡のように光が全反射します。
この性質を利用して、コア内に光信号を閉じ込めて長距離を伝送します。
光ファイバーケーブルはその材質から、引っ張り破壊にはある程度強く、折れ破壊には極めて弱いので、取り扱いには注意が必要です。
光信号は、コアの物理サイズ、光信号の波長、光の入射角度の組み合わせで「モード」の数が決まります。
その「モード」に合った光信号しか進行しないようになっています。
短距離では経済性に優れる「マルチモード」、長距離では特性に優れる「シングルモード」の光ファイバーが使われます。
光源と受信機
光通信の光源は、電気信号を光信号に変換するE/O変換器と呼ばれます。
光源には、短距離のものには安価なLED、長距離のものには特性に優れる半導体レーザーが使われます。
LEDは発光ダイオードのことです。
レーザーは誘導放出を利用した、波長と位相が均一に揃った光（コヒーレント光と呼ばれる）のことで、分散が少なく長距離を進行しても波形が崩れにくい性質を持っています。
半導体レーザーは、半導体の再結合発光を利用したレーザーです。
半導体に電流を流すことで誘導発振を行い、光通信に利用しやすい光を作り出します。
LEDと半導体レーザー、いずれも赤外線帯域の波長のものが光通信によく使われます。
光通信の受信機は、光信号を電気信号に変換するO/E変換器と呼ばれます。
光信号の受信機にはフォトダイオードが一般的に用いられます。
フォトダイオードは、半導体のPN接合部分に光を当てると電流に変化するという性質を利用して作られます。
フォトダイオードの材料には、シリコンやインジウム・ガリウムヒ素といった半導体が使われます。
光通信技術のメリットとデメリット
光通信のメリットとデメリットを詳説します。
メリット
高速伝送
光は非常に高速で伝搬するため、光ファイバーケーブルを利用した光通信は非常に高速なデータ転送が可能です。
これにより、大容量のデータを瞬時に伝送できます。
通常の有線通信やマイクロ波無線通信には無いメリットです。
FTTHでは、10[Gbps]の速度が普及し始めています。
海底光ファイバーケーブルでは、400[Gbps]が実用化されています。
NTTの局間伝送では、1.2[Tbps]の速度を達成しています。
研究段階のものではNICT（国立研究開発法人情報通信研究機構）が22.9[Pbps]を記録しています。
大容量伝送
光ファイバーケーブルは多くのデータを同時に伝送できるため、大容量の通信が可能です。
これは、ビデオストリーミング、クラウドサービス、ビッグデータ転送などの要求が高まっている現代の通信環境に適しています。
DWDMの技術により、一本の光ファイバーケーブル内に複数（数10～数100本）の信号を通すことが可能となっています。
また、64QAMといった光の多値変調（光の1パルスで送れる情報量を増やす）により、さらに容量を増やす技術が実用化されています。
低損失
光ファイバーケーブルを使用した光通信は、電気信号が電磁干渉や電気的な損失に影響を受けにくいため、信号の品質が高く、伝送距離が長いという利点があります。
これは通常の有線通信には無い利点です。
さらに、石英光ファイバーケーブルの光減衰率は約0.2[dB/km]（15[km]で半分に減衰）と低いため、長距離伝送に有効です。
海底光ファイバーケーブルの中継器の設置間隔は約75[km]です。
現在は光ファイバーケーブルの製造技術も向上し、さらに低損失の伝送が可能となります。
セキュリティ
光信号は電磁波を放射しないため、通信の傍受が難しく、セキュアな通信が実現できます。
これは、銀行や政府などのセキュアな通信に適しています。
さらに、光通信機器のトランスポート層での暗号化や、光ファイバーケーブルの設置・管理に配慮することで、光信号の盗聴・改竄を防ぐことができます。
光ファイバーケーブルの盗聴は、技術的には不可能ではないのですが、物理的に光ファイバーにアクセスできないと無理な点が、無線通信と異なります。
通信のセキュリティ強化は、情報資産を守るためますます重要となっています。
軽量・コンパクト
光ファイバーケーブルは電線と比較して軽量でコンパクトです。
このため、インフラストラクチャの設置やメンテナンスが容易で、通信ネットワークのスペース効率が向上します。
元来、銅線を使った有線通信は、ケーブルの敷設に多大なコストと労力がかかっていました。
光ファイバーケーブルは比較的安価に製造でき、敷設にも労力がかからないため、コスト的にも有利です。
FTTHの宅内機器も、有線（ケーブルモデムなど）と比べて軽量・コンパクトであり、設置場所を選ばない利点があります。
耐電磁干渉
光ファイバーは電磁干渉に対して非常に高い耐性があります。
電磁干渉の影響を受けにくいため、工業環境や電子機器の近くでも信頼性の高い通信が可能です。
メタリックケーブルを使った有線通信やマイクロ波無線通信は、電磁干渉に弱く、電磁干渉の多い環境では信号の乱れや誤動作が発生しやすくなります。
有線通信の場合、シールドすることによって電磁干渉を防ぐことができますが、労力とコストが余計にかかることになります。
また、光通信では電磁波を放射しないため、他の電子機器への影響も抑えられます。
長距離伝送
光ファイバーケーブルは長距離伝送に向いており、数十キロメートルから数百キロメートルにわたる通信リンクを確立できます。
これは都市間通信や国際通信に重要です。
光通信ケーブルの光源一つでは、数十キロメートルの到達距離しか出ませんが、途中に中継器をはさむことにより、光信号の増幅と光波形の歪みの補償を行い、さらに到達距離を伸ばせます。
海底光ケーブルは総延長9000キロメートルのものが日米間の太平洋に敷設されています。
現代では、光ファイバーの損失を低減する技術、分散を少なくする技術、波形の歪みの補償の精度を上げる技術の開発が行われており、無中継で伸ばせる距離がさらに延長されることが予定されています。
低遅延
光通信は電子信号と比較して遅延が非常に低いため、リアルタイム通信や高速取引などのアプリケーションに適しています。
一昔前は、テレビの国際中継でタイムラグがありましたが、あれは衛星通信を利用していたためでした。
現在は海底光ファイバーケーブルが国際放送の通信に使われるため、タイムラグはほぼ解消されています。
低遅延である特性は、リアルタイム性が要求される自動運転や遠隔手術の実現といったところに利用が期待されています。
エネルギー効率
光通信はエネルギー効率が高いため、データセンターや通信インフラストラクチャのエネルギーコストを削減するのに役立ちます。
エネルギー効率は伝送レート[bps]を光信号電力[W]で割った値が指標として用いられます。
エネルギー効率を高める伝送技術が今も開発されています。
また、光通信は光エネルギーが光ファイバーの細いコア内に集中しているため、空間的なエネルギー効率にも優れています。
光ファイバーケーブルを収容するトンネルである洞道の省スペース化に寄与します。
環境に優しい
光ファイバーの製造および運用において、環境への影響が比較的低いです。
電線に比べて電磁放射も少なく、持続可能な通信ソリューションの一部として評価されます。
メタリックケーブル（銅）は資源が乏しく、採掘・製造のための環境負荷も高くなります。
光ファイバーケーブルの材料である石英ガラスは資源が豊富であり、製造における環境負荷が低いです。
先に挙げたエネルギー効率の高さも、環境負荷を下げ、持続可能性を高める要因となっています。
デメリット
高コスト
光通信システムの導入やメンテナンスには高いコストがかかります。光ファイバーの敷設や光学機器の購入、保守作業などが含まれます。
これは、特に長距離通信や大容量データ転送に関連して高額になることがあります。
光ファイバーケーブルそのもののコストは低いですが、通信機・中継器は高度なエレクトロニクス機器であり高価になります。
また、システムの試験や保守に使う計測器も、光の伝送速度が高速になるにつれて高額になります。
物理的な制約
光ファイバーは物理的な制約を持っており、曲げや折り曲げなどに対する感受性が高いため、設置や保守に制約が生じます。
また、地下や海底などの特殊な環境での設置には困難が伴います。
光ファイバーケーブルを曲げる際には、余裕のあるRを確保する必要があります。
陸地では地下に洞道を掘って光ファイバーケーブルを敷設しますが、洞道を掘れる場所は地形的に限定されます。
宅内に引き込む場合は、電柱上に敷設しますが、これも地形が限定されます。
電力供給の必要性
光通信装置は電力供給が必要です。
停電や電力の供給不足がある場合、通信の中断や遮断が発生する可能性があります。
一昔前の電話機のように、停電時に電話局からの非常電源の給電で通話ができるようなことはありません。
エレクトロニクス機器の宿命ですが、通信インフラストラクチャの電源確保は大切な検討事項です。
海底光ファイバーケーブルは、中継器を動かすための電力を高電圧のケーブルで供給していますが、これも電源が切れると通信不可となります。
セキュリティリスク
光ファイバーは情報の高速伝送に適しているため、盗聴やデータの漏洩が潜在的なリスクとして存在します。
適切なセキュリティ対策が必要です。
光ファイバーケーブルの敷設場所にアクセスできれば、ケーブルからの盗聴・漏洩は技術的に不可能ではありません。
不審者をファシリティに近づけないようなセキュリティ対策が、通信キャリアには求められます。
また、光通信機器のトランスポート層での暗号化も必要です。
FTTH機器では、光ルーターの管理画面のパスワードを強化するなど、基本的な対策が必要です。
故障時の修復難易度
光ファイバーが断線したり装置が故障したりした場合、修復が難しく専門的な技術と機器が必要です。
故障が発生した場合、通信の一時停止が不可避です。
まず、光ファイバーケーブルの断線の箇所を特定するために、TDR（Time Domain Reflectometry）という技術を使います。
断線が疑われるケーブルの一端から光パルスを打ち込み、その反射波を得ることで断線の位置を特定します。
これには高価な測定器が必要です。
光ファイバーケーブルが断線した箇所は、融着で修復します。
これには高い技能と資格を持った作業者が必要です。
海底光ファイバーケーブルや中継器が故障した場合は、故障した箇所を海上に引き上げて修理を行います。
これには多大なコストが必要です。
地理的な制約
光ファイバーの敷設は、地理的な制約に左右されます。
山岳地帯や砂漠などアクセスが難しい地域では敷設が難しいことがあります。
洞道が掘れる場所は限定されます。
光通信は都市部に適した通信インフラと言えるでしょう。
地形的に厳しい箇所では、マイクロ波無線通信のほうが有利です。
地理的に不利な開発途上国などでは、光通信が発展する前にモバイルネットワークが整備されることがほとんどです。
海底光ファイバーケーブルも、敷設する海底の地形には一定の条件があり、敷設できるルートは限定的です。
経年劣化
光ファイバーは時間とともに経年劣化が進行し、信号の伝送品質が低下する可能性があります。
定期的な保守が必要です。
経年劣化の要因は、機械的な破壊、周囲温度の影響、被覆のプラスチックの劣化などがあります。
電柱上に敷設した光ファイバーケーブルの場合は、紫外線や塩害の影響で劣化します。
また、鳥や動物などがケーブルを破壊することもあります。
光ファイバーケーブルの耐用年数は15年から20年とされています。
適宜改修が必要となります。
電磁干渉
光ファイバーは電磁干渉に強いですが、周囲の電磁干渉からの影響を完全に受けないわけではありません。
特に高電磁干渉の環境では、信号品質が悪化することがあります。
高圧送電線の近くでは信号にノイズが乗ることもあります。
雷や太陽フレアといった大規模な自然現象の影響を受ける可能性があります。
E/O変換器やO/E変換器は通常のエレクトロニクス機器なので、普通に電磁干渉を受けます。
機器の設置場所を配慮し、適切なシールド、保護が必要です。
光通信技術の将来性
5Gとの関連性
高速・大容量・低遅延な5Gモバイル通信のインフラストラクチャとなる、基地局と交換局を結ぶネットワークは、最も相性が良い光通信がすでに利用されています。
さらに光ネットワークの導入が考えられます。
光スイッチにより、光信号を光信号のまま伝送・制御することを目指し、さらに高速・大容量・低遅延・低コストなネットワークを実現します。
特に低遅延が要求される自動運転・遠隔手術などの応用分野に5Gと光通信技術が活用されるでしょう。
やがて、NTTが提唱するIOWN構想の6Gモバイルインフラストラクチャの基礎となるでしょう。
5G技術で世界に出遅れた日本が、6G技術で巻き返し、IOWN構想を実現するために、光通信技術をより発展させる必要があります。
新たな応用分野
医療
遠隔医療に関する研究が盛んです。
遠隔医療とは、病院が無い地域もしくは自宅で、病院（遠隔地）から医療相談・医療診断・遠隔治療・遠隔手術を行うものです。
遠隔医療は医師不足の解消、医師の質の向上、地域による医療格差の是正、医師の働き方改革に結びつくものです。
感染症のリスクを減らす利点もあります。
特に、ロボットによる遠隔手術を実現するためには、光通信の持つ低遅延の特性が欠かせません。
さらにリアルタイムに高画質な画像を得るには、光通信の大容量・高速な利点が必要です。
遠隔医療は、日本の社会的問題（地方の過疎化、少子高齢化、人手不足など）を解決するのに有効と言えます。
遠隔医療に光通信の技術が使われるのは必然と言えます。
自動車
自動車におけるホットな話題は、EVと自動運転・遠隔運転です。
光通信ネットワークと5G技術を融合して車載ネットワークを構築し、自動運転・遠隔運転を実現しようという試みです。
自動運転・遠隔運転にも光通信ネットワークの高速・低遅延・リアルタイム性といった特性が必要です。
自動運転・遠隔運転のシステムは、安全性を高めるとともに省力化につながります。
物流を担うトラックやバスの自動運転・遠隔運転は、運転手の人手不足の解消、働き方改革という社会的問題の解決に寄与します。
また、車内に閉じても、車内のセンサーや機器を光ケーブルで結び、通信を行うことで、低消費電力化、低コスト化、低重量化、耐ノイズ性能の改善による信頼性の向上など、自動車の性能アップに繋がります。
エネルギー
エネルギーについては、「仮想発電所」がキーワードです。
仮想発電所は太陽光発電や風力発電などの分散型で小規模な再生可能エネルギー発電所を光通信でネットワーク化し、一つの大規模な発電所に見立てたものです。
仮想発電所は地域の電力需要／供給の分布を管理し、電力が不足している地域に、余剰電力を融通する、といった効率的な運用が可能になります。
また、光通信そのもののエネルギー消費も課題となります。
インターネットの普及・拡大によって、データセンター、通信インフラストラクチャも急激に拡大し、そこで使われる光通信機器のエネルギー消費も膨れ上がっています。
光通信そのものは省エネルギーなものですが、さらなる低消費電力化が求められます。
光通信技術のまとめ
本稿では光通信技術について、その基本的な仕組み、歴史的なマイルストーンについて解説しました。
また、光通信の重要な構成要素である、光ファイバーケーブルと光源・受信機について説明しました。
光通信のメリット／デメリットについて詳しく取り上げました。
光通信は高速・大容量・低遅延であり、現代のネットワークには欠かせないものです。
耐電磁干渉性の高さ、エネルギー効率の良さ、セキュリティの高さなどの利点もあります。
また、5Gモバイルネットワークとも切っても切り離せない関係にあります。
下はFTTHから上は海底光ファイバーケーブルまで、様々な規模の光通信ネットワークがあります。
さらに、光通信技術の将来展望について、医療、自動車、エネルギーの観点で述べました。
来るべきIOWNの時代に、光通信技術は欠かせない基礎技術です。
光通信について不明点や困りごと、光通信技術に関する質問などがあれば、知識豊富な株式会社Jiteraにぜひお問い合わせください。
期待する結果が得られると思います。
