コヒーレント光モジュール技術の進歩と標準化動向

<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">単一チャネルの伝送速度が上昇を続ける中、現代の光通信におけるアプリケーションでは、コヒーレント光伝送技術の採用が拡大しています。このシフトは、従来のバックボーンネットワーク（1000km以上）にとどまらず、メトロエリア（100～1000km）、さらにはエッジアクセスネットワーク（100km未満）にまで及んでいます。同時に、コヒーレント技術は、データ通信分野で80～120kmの距離をカバーするデータセンター・インターコネクション（DCI）アプリケーションの一般的なソリューションとして台頭してきました。これらの進化するアプリケーションは、コヒーレント光トランシーバー・システムに新たな要求をもたらし、コヒーレント・トランシーバー・ユニットの開発は、ラインカードやMSA（Multi-Source Agreement）トランシーバーとの初期の統合から、独立した標準化されたプラグイン可能な<a href="https://www.fs.com/jp/c/coherent-200-400g-dwdm-4103" target="_blank" rel="noopener">光トランシーバー</a>へと方向転換させています。</p>
<h2 class="community-restructure-h2">光ネットワークに革命を起こす：プラガブル・コヒーレント・トランシーバーが道を拓く</h2>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">メトロネットワークやデータセンター内に導入されるクライアント光トランシーバーとは対照的に、光トランスポートネットワークで採用されるコヒーレント光トランシーバーは、通常、ライン側構成に埋め込まれるか統合されます。これらの構成には、ポート密度が低い、物理サイズが大きい、消費電力が高い、設計が標準化されていないなどの欠点があります。ネットワークオペレータは、長期間にわたって、SFP+光トランシーバーパッケージを使用して10Gネットワークで達成された標準化と同様に、クライアント光トランシーバーで見られるような伝送光トランシーバーのパッケージング アプローチの実現を目指してきました。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスのデジタル・シグナル・プロセッサ（DSP）チップと集積フォトニック技術の最近の進歩は、より小型で低消費電力のプラガブル・コヒーレント光トランシーバーの開発に道を開いています。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">標準化されたプラガブル光トランシーバーへの進展は、光通信におけるラインサイドサービス伝送の必然的な選択肢となっています。メトロおよびバックボーン・ネットワークに適用されるコヒーレント光トランシーバーの発展の軌跡は、次のような主要な特徴を示しています:</p>
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<p>高速: 100G/200Gから400Gへの進化、さらに800Gbpsの速度への進化。</p>
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<p>小型化：100Gマルチソース・アグリーメント（MSA）パッケージ形態から、Cフォームファクター・プラガブル（CFP）/CFP2デジタル・コヒーレント検出（DCD）/アナログ・コヒーレント光学（ACO）パッケージ形態への移行。現在、400G OSFP DCO や QSFP-DD DCO などのパッケージ規格が提案されています。</p>
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<p>低消費電力：システム全体の厳しい消費電力要件に準拠。例えば、QSFP-DD パッケージのコヒーレント光トランシーバー製品の消費電力は 15W を超えてはなりません。</p>
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<p>相互運用性の標準化：各機器メーカーが独自のインターフェース・ボードを使用し、独自の高次変調方式やFEC（Forward Error Correction）アルゴリズムを採用してきた従来の慣行から脱却します。業界は現在、コヒーレント光トランシーバーの相互運用性の実現に向けて積極的に取り組んでいます。</p>
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<h2 class="community-restructure-h2">400Gの標準とOpenZR+の登場をナビゲートする</h2>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">現在の商用の相干技術は、単一波長800Gの転送を達成するまで進歩しています。しかし、業界には現在、800Gの標準化された仕様が不足しています。一方、400Gの相干技術は、<a href="https://www.fs.com/jp/products/193134.html" target="_blank" rel="noopener">400ZR</a>、<a href="https://www.fs.com/jp/products/193096.html" target="_blank" rel="noopener">OpenROADM</a>、<a href="https://www.fs.com/jp/products/193128.html" target="_blank" rel="noopener">OpenZR+</a>などの標準に準拠し、確立されています。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">2016年に光インターネットワーキングフォーラム（OIF）によって開始された400ZRイニシアティブは、QSFP-DDやOSFPなどの省電力パッケージに適した相互運用可能な相干光トランシーバーインタフェースの標準化を目指しています。データセンターインターコネクト（DCI）アプリケーションに特化したOIF-400ZRパッケージングは、15Wのトランシーバー電力の閾値を満たすために、一部の転送性能を犠牲にすることができるシナリオを対象としています。このソリューションは、エッジDCIアプリケーションに焦点を当てており、顧客側で400GbEの速度をサポートし、80kmから120kmの転送距離をカバーし、CFECフォワードエラーコレクションも組み込んでいます。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">AT&amp;Tなどのキャリアによって主導されたOpenROADMは、<a href="https://www.fs.com/jp/products/148739.html" target="_blank" rel="noopener">OTNネットワーク</a>での長距離転送をサポートするためのOpenROADM Multi-Source Agreement（MSA）標準を定義しています。テレコムオペレーター向けの再構成可能な光アドドロップマルチプレクサ（ROADM）ネットワークアプリケーションを対象としたOpenROADM MSAでは、100G、200G、400GbE、OTNの速度に対応するインタフェースを提供し、500kmの転送距離を実現するためにオープンなフォワードエラーコレクション（OFEC）アルゴリズムを利用しています。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">400ZRとOpenROADMは、DCIおよびテレコム光トランスポートネットワーク向けのプラグ可能な相干光トランシーバータイプを定義していますが、それらには制約があります。たとえば、400ZRは顧客側インタフェースとして400GbEのみをサポートし、OpenROADMは主にテレコムオペレーター向けのシナリオを対象としています。その結果、いくつかの業界をリードするベンダーは、OIF-400ZRとOpenROADMの標準の強みを結び付け、OpenZR+と呼ばれる新しいMSA（マルチソースアグリーメント）標準を導入しました。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">OpenZR+ MSAは、メトロ、バックボーン、DCI、およびテレコムオペレーターのシナリオにわたる応用を拡張しています。QSFP-DDやOSFPなどのプラグ可能な形式において、強化された機能と改善された性能を提供し、マルチベンダー間の相互運用性を確保することを目指しています。OpenZR+は、400ZRのシンプルなイーサネット専用ホストインタフェースを維持しながら、100G、200G、300G、または400Gのラインインタフェースをサポートし、マルチレートのイーサネットおよび多重化機能に対応しています。OpenROADM MSAおよびCableLabsからのoFEC標準を活用することで、OpenZR+は分散許容性とコーディング利得を向上させます。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">2020年9月に、OpenZR+はメトリクス ブックの最初の公開バージョンをリリースしました。OIF-400ZR、OpenROADM、およびOpenZR+の主なパフォーマンス指標の比較分析を以下の表に示します。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">顧客側と同じパッケージにライン側光トランシーバーを統合することで、ネットワークオペレーターはネットワークアーキテクチャを簡素化することによりコストの利益を享受できます。主流のオープンラインシステム（OLS）の業界トレンドに合わせて、これらのトランスポート光トランシーバーは外部のトランスポートシステムを必要とせずにルーターに直接接続できます。これにより制御プラットフォームが簡素化され、コスト、電力消費、物理的なスペースが削減されます。図示されたネットワークシナリオでは、ユーザーはOpenZR+準拠の相干光トランシーバーをOLS対応のルーターのポートに直接挿入するか、信号プロトコル変換を実装したトランスポートデバイスの顧客側ポートを介してルーターに接続する柔軟性があります。</p>
<h2 class="community-restructure-h2">800ZRの予測: 次世代800Gコヒーレント・プラガブル・テクノロジの進歩と課題</h2>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">標準化の進展において、次世代のスーパー400G相干プラグ可能製品は、単一波長で800Gの速度を採用することが予想されています。現在、光インターネットワーキングフォーラム（OIF）は、次世代の相干技術標準である400ZRの開発に関して議論を行っており、仮称800ZRと呼ばれています。最初の考慮事項として、データセンターインターコネクト（DCI）のシナリオに適した80 〜 120km（増幅）の高密度波長分割多重化（DWDM）リンクのサポート、およびキャンパスのシナリオ用の増幅なしの210kmリンクが含まれます。顧客側インタフェースは2x400GEまたは1x800GEを収容することが想定されており、ライン側は単一波長の800G相干ラインインタフェースをサポートする予定です。この標準は、顧客側からライン側へのフレーム構造メトリックのマッピングや、相互運用性を確保するためのライン側のシグナルメトリックの定義を目指しています。OIF内では、コンポーネントレベルでの議論も進行中であり、OIF-HB-CDM2.0と呼ばれる次世代の相干変調器の仕様策定に焦点が当てられており、より高い変調速度をサポートする予定です。</p>
<p class="blog_p padding_top_none community_blog_detail_p community_blog_detail_p1">光学および電気チップ技術の進歩に関して、次世代の800ZR光トランシーバー製品は、5nm以上の高度なデジタル信号処理（DSP）チップ、シリコンベースのハイブリッド集積光チップ、フリップチップ技術、およびその他の高度なパッケージング技術を活用する可能性があります。これらの技術は、96/128GBdおよびDP-64QAM/DP-16QAMの高次変調信号を効果的にサポートするために重要です。ボーレートが128GBdに達すると、光チップの帯域幅は少なくとも70〜80GHzである必要があります。シリコン光モジュレータは、このような高速率のサポートに制約があるかもしれません。一方、従来のIII-V材料の光モジュレータは理論的には可能ですが、実装上の課題があります。そのため、業界では薄膜リチウムナイオバイト（TFLN）を含む新しい材料やデバイス技術の探索が行われています。リチウムナイオバイトは長い間、光モジュレータの優れた材料と見なされてきましたが、従来のブルク材料のリチウムナイオバイトモジュレータはサイズの制約や帯域幅の制約に直面しています。しかし、最近の薄膜リチウムナイオバイトチップ処理技術の突破により、小型で高帯域幅のモジュレータが実現する可能性が開けました。デバイスレベルで高い帯域幅を実現することに加えて、電気駆動チップとパッケージング技術の開発には依然として課題が残っています。</p>