光通信工学基礎

Fundamental Optical CommunicationTechnologies

9973128

73ICCEN305

前田　讓治

Joji Maeda

2026年度前期

2026年度

①First semester

月曜4限

Monday, 4th Period

創域理工学部　電気電子情報工学科

Department of Electrical Engineering, Faculty of Science and Technology

2.00単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

インターネットをはじめとする現代のネットワークにおいて、光ファイバ通信は、拠点間・国際間のリンクはもとより、各家庭にまで用いられるようになっている。本講義では、光ファイバ通信システムの概要と、用いられている要素技術とその原理を概説する。

光ファイバ通信システムの基本構成、およびその構成要素を理解することを目的とする。
本講義は、本学科のディプロマポリシー「電気工学、電子工学、情報通信工学の学問分野に共通した基礎学力と、その上に立つ各分野の専門知識」に該当する科目である。

以下のことができるようになることを目標とする。
・光ファイバ通信の構成要素とその動作原理の説明
・誘電体導波路のモードの概念の説明
・1次元スラブ導波路の導波モードの導出
・光ファイバの導波原理とモードの説明
・石英系光ファイバの損失特性と分散の説明
・レート方程式を用いたレーザの基礎的な動作解析
・バイナリ伝送の符号誤り率に関する基礎的な計算
・光受信機雑音の受信信号に対する影響の評価

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

既修得科目不要。他学科・他学部生の聴講可

課題に対する作文　Essay

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（全般）
・LETUS に掲載する演習問題を解き、講義内容を理解すること。
・講義で行なった計算については、ノートを参照しながら、自分の力でもう一度結果を導出してみること。
・講義で話題にした事項のうち、興味を持ったものに関してWebで調べ、その内容をノートに書きとめて置くこと。
・自習時間の目安は、準備学習と復習合わせて、1回の講義につき4時間程度とする。

（各回）
2,3: 電磁気学の基礎を復習しておくこと。特に、アンペールの法則、ファラデーの法則とその微分表現の関連を理解しておくこと。
4,5,6,7: 常微分方程式、偏微分方程式の基礎を復習しておくこと。
9: 量子力学の考え方を理解しておくこと。特に、波動関数とは何か、量子論の確率的解釈、量子状態とケットベクトルの概念を予習しておくこと。
10,11: 連立線形常微分方程式の解法を復習しておくこと。
12: 電気回路における雑音（熱雑音・ショット雑音）について予習（すでに学習済みの場合は復習）しておくこと。
13: 確率密度と確率との関係を復習しておくこと。

到達度評価試験 (70%), 学期の中旬に課す授業内容に関するレポート (30%)。100点満点中60点以上を合格とする。
[フィードバックの方法]　到達度評価試験の解答例を LETUS 上で公開する。

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

LETUS 掲載の資料

Gerd Keiser “Fiber Optic Communications” Springer, 2021, ISBN 978-9-813-34664-2

末松安晴・伊賀健一共著、光ファイバ通信入門改訂5版、オーム社、2017年、ISBN 978-4-274-22094-4

山下真司著、光ファイバ通信・計測のための光エレクトロニクス、数理工学社、2022年、ISBN 978-4-86481-086-9

全ての授業を対面で実施する。

1 　　光通信システムの歴史と概況　光通信システムの基本構成と研究の現況について学ぶ。本講義の位置づけを説明できるようになる。

2 　　光の諸性質１ 　　電磁波としての光の性質を、平面波を例に学ぶ。マックスウェル方程式の物理的な意味と電磁波の関係を説明できるようになる。

3 　　光の諸性質２ 　第2回に引き続き、電磁波の基本的性質を学習する。また、データ伝送に不可欠な群速度の概念を説明できるようになる。

4 　　光導波路１ 　　光導波路の原理を学習する。1次元スラブ導波路中のTEモードの解析を通じ、電磁界分布を求めることが偏微分方程式の境界値問題に対応することを体得する。

5 　　光導波路２ 　　第4回に引き続き、1次元スラブ導波路の解析を行う。モード、横方向伝搬定数・減衰定数、正規化周波数などの概念と数学的な展開との対応を説明できるようになる。

6 　　光ファイバ１ 　　ファイバ中の光伝搬特性を、第4・5回で解析したスラブ導波路との対応に基づいて学ぶ。ベッセル方程式とその解の概略を理解する。

7 　　光ファイバ２ 　　光ファイバのLPモードと分散について学ぶ。分散の種類と原因を説明できるようになる。

8 　　光ファイバ３ 　　光ファイバの損失・製造法、実際に使用されているファイバの例を学ぶ。石英系ファイバの損失の機構と波長特性を説明できるようになる。

9 　　光の量子論入門 空洞共振器内の縦モードが一次元調和振動子と等価であることを示し、場の量子化を通じて量子力学的な光子概念を学ぶ。自然放出・誘導放出・光吸収の諸原理を説明できるようになる。

10　　半導体レーザ１ 　　レーザの原理と、半導体レーザの構成・原理を学ぶ。レート方程式の近似によってレーザの静特性を導出し、説明できるようになる。

11　　半導体レーザ２ 　　第10回に引き続き、レート方程式による半導体レーザの動作特性解析を行う。小信号振幅の動特性解析により、直接変調の最大周波数の存在を理解する。緩和振動周波数とは何か説明できるようになる。

12　　光変復調１ 　　光の強度にデータを乗せるための変調方式と、光検出器の原理、および検出時に発生する雑音を学ぶ。変調方式の原理、検出時の雑音源とその物理的な原因と統計的な性質を説明できるようになる。

13　　光変復調２・光増幅 　　ディジタル光通信システムにおける符号誤り、およびその評価法を学ぶ。ガウス型確率密度から符号誤り率が導出できるようになる。また、光増幅器の構成及び特性を学ぶ、その出現が通信技術に与えたインパクトを理解する。

14　　光ファイバ通信の変遷 技術発展の著しい光通信システムの最近の研究開発動向を学ぶ。コヒーレント光通信方式の原理を説明できるようになる。

15　　到達度評価 　　到達度評価試験を実施し、講義全体の総括を行う。

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Mathematica／MATLAB/Simulink

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