第 202 号・2023 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

Wavelength-Division-Multiplexing Optical-Transmission Device Using
Signal-Compensation Technique and Low-Bandwidth Optical Receivers
＊宮関勇輔

山内聖司

自念Yusuke Miyazeki

圭輔

船田Keisuke Jinen

知之

Tomoyuki Funada

Kiyoshi Yamauchi

5G モバイルフロントホール（5G-MFH: 5G Mobile Fronthaul）では、多数の張出局を少ない光ファイバで効率的に接続するために光集線装置が用いられる。5G-MFH 向け光集線装置には、長距離伝送やマルチレート動作などの技術要求を安価に達成することが求められる。本稿では、10 Gbps 用の光受信器を搭載した WDM 光トランシーバと信号補償回路を用いて、10/25 Gbps マルチレート動作に対応した光集線装置を原理実証したので、その内容を報告する。

In 5th generation mobile fronthaul (5G-MFH), a wavelength-division-multiplexing (WDM) optical-transmission device isused to efficiently connect many remote units with fewer optical fibers. WDM optical-transmission devices for 5G-MFH
need to meet technical requirements such as long-distance transmission and multi-rate operation at low cost. This paper
demonstrates a proof-of-concept of a WDM optical-transmission device supporting 10/25 Gbps multi-rate operation using
a signal-compensated optical transceiver equipped with a 10-Gbps-bandwidth optical receiver.
キーワード：モバイルフロントホール、光集線装置、波長多重伝送、信号補償

1.

緒言

きた。しかし、移動体無線の次世代化と共に光トランシーバ5G 無線のマイクロセル化により、5G モバイルフロンの伝送レート、及びコストは増加傾向にある。光集線装置

トホール（5G-MFH） の構築には多数の張出局（RRH/コストは光トランシーバコストに大きく依存するため、現

RU: Remote Radio Head/Radio Unit）の大規模展開が状ではさらなる高速化要求に対してコストメリットを維持

求 め ら れ る。波 長 多 重（WDM: Wavelength Division

した開発が困難になると懸念される。そこで当社は、所定Multiplexing）通信※2を用いた光集線装置は、効率的な張の伝送速度に対して低帯域の光部品を採用し、信号補償回出局展開のための有力な解決策の一つである。図1に光集線路でその性能不足分を補償する技術（1）を用いた、新たな光装置を用いたネットワーク構成を示す。光集線装置を用い集線装置を提案した（2）。提案装置は、単体では要求性能にることで、少ない光ファイバで多数の張出局展開が可能と満たない安価な光トランシーバの採用が可能となるため、なり、高いコストメリットを実現できる。5G-MFH 向け光

コストと性能を両立した開発が可能になると期待される。

集線装置は、長距離伝送（≧20 km）や4G 同時収容のた

本稿では、10 Gbps 用光受信器を搭載した試作光トランめのマルチレート動作 （10/25 Gbps）に対応すること

シーバの伝送レート25 Gbps における特性評価、及び提案が求められる。従来の光集線装置は、目標仕様に適合する光集線装置構成による10/25 GbpsマルチレートWDM 伝

WDM 光トランシーバの採用によって技術要求を達成して送を原理実証したので、その内容を報告する。

※1

※3

2.
2－1
RRH

CU/DU

BBU

距離、伝送レート、及びロスバジェット※4は、5G-MFH の

5G

CU/DU

4G
RU

5G

RU

5G

提案する光集線装置構成

表1に5G-MFH 向け光集線装置の目標仕様を示す。伝送RU

RRH

光集線装置4G

インターフェース仕様（eCPRI ※5）で用いられる25G イーサネット規格（25GBASE-ER ※6）に準拠する（3）。図2に提案した光集線装置の構成模式図を示す。信号補償回路として送受信部に CDR 回路※7、受信側 CDR 回路の前段に DFE回路※8を搭載した。図3に DFE 回路図とその動作原理模式図を示す。DFE を適用することで受信信号のジッタ※9緩和

図1

光集線装置を用いたネットワーク構成模式図が可能となり、波形品質が改善される。提案光集線装置に信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

3（1）住友電工テクニカルレビュー

第 202 号・2023 年 1 月

搭載する WDM 光トランシーバは、25 Gbps 用の DML ※10

送特性評価システムの模式図を示す。WDM 伝送特性評価（25G-DML）送信器と10 Gbps 用の APD

ボードは、市販の FPGA ※12評価ボードに15タップ DFE 搭（10G-APD）※11受信器で構成される。

載シリアルトランシーバや NRZ ※13方式の PRBS 信号※14生成回路、ビット誤り率（BER: Bit Error Ratio）測定回路を組込むことで実現した。集線数は FPGA 評価ボードに搭載表1された光トランシーバケージ数の都合で最大4Ch である。

光集線装置の目標仕様

伝送距離伝送レート

ロスバジェット≧30 km10.31/25.78 Gbps

≧20.7 dB

伝送レートの変更や DFE の ON/OFF 制御、及び BER 測定結果の取得などは外部 PC を用いて可能である。試作光トランシーバは SFP28※15に準拠し、図2に示した通り25GDML と10G-APD で構成される。高光出力特性の DML と

光集線装置
FPGA

CDR

CDR

CDR

DFE

25G-DML
10G-APD
…

信号
処理
回路

…

CU/DU

高受信感度の APD を用いることで、高ロスバジェットの達LWDM光ﾄﾗﾝｼｰﾊﾞ

信号補償回路成を目指した。10G-APD は後段に CDR を搭載しないリニ波
長合分波器

ア受信※16とし、DFE 適用時にその補償効果の最大化を目指した。表2に試作した WDM 光トランシーバの主要仕様を示す。伝送レート、及び動作波長はそれぞれ10.31/25.78
Gbps のマルチレート、O バンド帯の LWDM 波長に対応する。図5に LWDM、及び DWDM 波長分布図を示す。

光ファイバ

LWDM 波長は、WDM 伝送で多く用いられる DWDM 波

光集線装置
FPGA

CDR

CDR
DFE

CDR
…

10G-APD

信号処理
回路

り、LWDM 波長は波長分散による影響が動作波長間で大RU…

25G-DML…

波長合分波器長と比較して、動作波長が広帯域に分布している。これよeCPRI
光ﾄﾗﾝｼｰﾊﾞ

信号補償回路…

LWDM
光ﾄﾗﾝｼｰﾊﾞ

きく異なるため、DWDM 波長と比較して一般的に長距離伝送に不向きとされる。一方、光送信器コストは比較的安価であり、LWDM 波長の採用で WDM 光トランシーバの低コスト化が可能となる。提案光集線装置に搭載した DFE回路は、波長分散による通信品質劣化もある程度は補償可

図2能であるため、コストと性能バランスを考慮して、動作波提案する光集線装置の構成模式図

長に LWDM 波長を採用した。

WDM
FPGA
DFE

PRBS

DFE
DFE

BER

W1

DFE

W2
W3t

図32－2

PCt
図4

WDM 伝送特性評価システムの模式図

表2

試作 WDM 光トランシーバの送信仕様

DFE の（a）回路図と（b）動作原理模式図（4）WDM 伝送特性評価システム

提案光集線装置の原理実証のために試作した WDM 伝送
特性評価ボードと WDM 光トランシーバを組み合わせ、

項目値

伝送レート10.31/25.78 Gbps

動作波長1269～1318 nm（LWDM波長）平均送信電力2～8.16 dBm

WDM 伝送特性評価システムを構築した。図4に WDM 伝
信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

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第 202 号・2023 年 1 月-13

Receiver Sensitivity (dBm)

LWDM 12DWDM 121260

1280

図5

LWDM/DWDM 波長分布図

3.
3－1

1300

評

1304.58 nm
25.78 Gbps
-16-19-220 km
30 km

価-251265

試作 WDM 光トランシーバの単体性能

1280

1295

1310

1325

Operational Wavelength (nm)図6に25.78 Gbps 伝送時における試作 WDM 光トランシーバ（動作波長：1304.58 nm）の送信光波形と受信電

図7

試作 WDM 光トランシーバの受信感度気波形を示す。なお、本測定では試作 WDM 光トランシー
バに DFE は適用していない。送信光波形は25GBASE-ER で規定されるマスクテスト※17に対して、21％以上のマージンを達成する良好な特性を示した。一方、受信電気波形ではア受信することで実施した。受信感度は BER ＝5.0E-5となるイ開口をほとんど確認できなかった。これは、試作 WDM際の受信光強度と定義した。0 km 光ファイバ伝送におい光トランシーバに搭載した光受信器の帯域が伝送レートにて、試作 WDM 光トランシーバの受信感度は全波長サンプ対して小さく、光受信器が光波形変化に対して追従動作でルにおいて－19 dBm より小さく、動作波長間で受信感度きなかったことに起因する。これより、DFE 適用なしで試の差がほとんどない良好な特性を示した。30 km 光ファイ

作 WDM 光トランシーバを伝送レート25.78 Gbps で使用

バ伝送では、0 km 伝送時と比較して、短波長側（動作波することは困難であることが推測される。

長1300 nm 以下）サンプルの受信感度が1 dB 以上改善し

図7に25.78 Gbps 伝送時における、DFE 適用時におけた。これは、光ファイバの負の波長分散によって、光ファる試作 WDM 光トランシーバ（動作波長：1304.58 nm）イバ伝送中に当該サンプルの送信光波形が、受信感度が改の受信感度特性を示す。測定は試作 WDM 光トランシーバ善する方向に歪んだことに起因する。

から出力された光信号を0/30 km シングルモード光ファ

3－2

提案光集線装置の WDM 伝送特性

図8に提案光集線装置構成における WDM 伝送特性評価

イバと可変減衰器を介して、試作 WDM 光トランシーバで系を示す。伝送レート10.31/25.78 Gbps において、4つの試作 WDM 光トランシーバからの出力光信号を30 km 光
1304.58 nm
25.78 Gbps

ファイバで WDM 伝送後、測定信号（動作波長：1304.58nm）の BER 特性を DFE 適用有無それぞれで評価した。測定信号を受信する WDM 光トランシーバには、試作 WDM光トランシーバに併せて25 Gbps 用の市販 WDM 光トランシーバを用いた。市販 WDM 光トランシーバは、受信器に25G-APD を搭載したリミティング受信※18タイプであり、単体仕様として表1の目標仕様を達成可能であるが比較的高価である。本評価では、安価な試作 WDM 光トランシー(a)1304.58 nm
25.78 Gbps

WDM

#1WDM
1

12

2

1=1304.58 nm

WDM

2=1309.58 nm

WDM
3

3=1313.73 nm

4=1318.35 nm(b)
図6430 km

34

PC #1

試作 WDM 光トランシーバの（a）送信光波形と（b）受信電気波形

#2/

PC #2

図8

WDM 伝送特性評価系の模式図
信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

5（3）住友電工テクニカルレビュー

第 202 号・2023 年 1 月

バを用いて、市販 WDM 光トランシーバと同等の伝送特性

較すると2.0 dB 劣化したが、ロスバジェット目標値（20.7を達成することを目標指標の1つとした。

dB）を1.7 dB 上回る良好な結果であった。

図9にWDM 伝送時のBER 特性結果を示す。10.31 Gbps
伝送時、試作 WDM 光トランシーバ使用時の受信感度はDFE 適用有無でそれぞれ−26.1/ −21.6 dBmとなり、DFE

表3の適用によって受信感度が4.5 dB 改善した。市販 WDM

伝送レート

光トランシーバ使用時の受信感度は−23.3 dBm であり、DFE 適用時の試作 WDM 光トランシーバの方が2.8 dB 良好であった。この結果は、リニア受信である試作 WDM

WDM 伝送時のロスバジェット
試作

市販DFEなし

DFEあり

DFEあり

10.31 Gbps

23.6 dB

28.1 dB

25.3 dB

25.78 Gbps

16.6 dB

22.4 dB

24.4 dB

光トランシーバの方が DFE の補償効果が大きく作用し、元々良好な受信感度がさらに改善されたことに起因する。

4.

25.78 Gbps 伝送時、試作 WDM 光トランシーバ使用時の結言

受信感度は DFE 適用有無でそれぞれ－20.4/ －14.6 dBm

本稿では、10 Gbps 用光受信器を搭載した試作 WDMとなり、DFE の適用によって受信感度が5.8 dB 改善した。

光トランシーバの伝送レート25 Gbps における単体特性

表3に受信感度から算出したロスバジェットを示す。試作

評価、及び提案光集線装置構成による10/25 Gbps マルチ／市販 WDM 光トランシーバの出力光強度は共に最低保証

レート WDM 伝送を原理実証した。試作 WDM 光トラン値の2 dBm と想定した。10.31 Gbps 伝送時における試作

シーバに DFE を適用することで、全波長サンプルで－19WDM 光トランシーバ使用時のロスバジェットは28.1 dBdBm の受信感度を達成した。また、提案光集線装置構成であり、ロスバジェット目標値（20.7 dB）を7.4 dB 上回っ

による WDM 伝送特性評価では、10.31/25.78 Gbps 伝た。25.78 Gbps 伝送時における試作 WDM 光トランシー送時にそれぞれ28.1/22.4 dB のロスバジェットを達成しバ使用時のロスバジェットは22.4 dB であり、市販 WDMた。これらの結果は、目標ロスバジェット値（20.7 dB）光トランシーバ使用時のロスバジェット（24.4 dB）と比を少なくとも1.7 dB 上回る良好な結果である。これより、
提案光集線装置構成を用いて、10/25 Gbps マルチレー
ト WDM 伝送が可能であることを明らかにした。本成果によって、所定の伝送レートに対して低帯域かつ安価な光部

Bit Error Ratio

品を光集線装置に採用でき、コストメリットと性能を両立

DFE
DFE
DFE

1.0E-02

した装置開発が可能になると期待される。

1.0E-035.0E-5

1.0E-04
1.0E-05

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

1.0E-06
1.0E-07
1.0E-08
1.0E-09
1.0E-101.0E-11
1.0E-121.0E-13-30※1

5G ネットワークにおける、CU/DU と RU 間の光ファイバ

30 km
1304.58 nm-27-24

5G モバイルフロントホール-21-18-15

Average Received Power (dBm)をベースとしたネットワーク。膨大な数の張出局を効率的に接続することが求められる。

(a)

※2

Bit Error Ratio

波長多重（WDM）通信

複数波長の光信号を集線し、1本の光ファイバで伝送する

DFE
DFE
DFE

1.0E-02

技術。

1.0E-035.0E-5

1.0E-04※3

マルチレート動作

1.0E-05

主に後方互換や柔軟なネットワーク構築を目的として、光1.0E-06

集線装置が複数の伝送レートに対応して動作可能である

1.0E-07
1.0E-08
1.0E-09
1.0E-101.0E-11
1.0E-121.0E-13-27こと。
30 km
1304.58 nm-24-21-18-15-12

Average Received Power (dBm)※4

ロスバジェット

送信器の光出力強度と受信感度の差分。

(b)

図9 伝送レート（a）10.31 Gbps、（b）25.78 Gbps における WDM 伝送特性
信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

6（4）住友電工テクニカルレビュー
※5

eCPRI

第 202 号・2023 年 1 月※17マスクテストEvolved Common Public Radio Interface：無線基地局

信号波形が規定を満たすか判定するための試験。信号波形とアンテナユニット間の通信に用いられるイーサネットをにマスクパターンを重ね、その内部に信号波形が含まれなベースとした通信規格。

い場合、合格と判定される。

※6

※18

25GBASE-ER

伝送レート25 Gbps におけるイーサネット通信規格。

リミティング受信

受信光信号を飽和増幅（リミティング）で電気信号に変換する手法。

※7CDR

Clock Data Recovery：クロック・データ・リカバリ。
内部の参照クロックと受信信号を比較することで、同期クロック信号を再生する。
※8DFE

Decision Feedback Equalizer：判定帰還型イコライザ。
フィードバック信号に多段ディレイを適用し、それぞれに係数を積算後、それらを加算することで波形歪みを補償する。
※9参 考 文 献（1）	P. Torres-Ferrera et al.,“Optimization of Band-Limited DSPAided 25 and 50 Gb/s PON Using 10G-Class DML and APD,”
J. Lightwave Technol., vol. 38, no. 3, pp. 608-618（2020）（2）	宮関勇輔、自念圭輔、船田知之「低帯域光受信器を用いたマルチレー
ト O-band WDM 伝送実験」、2022年ソサエティ大会 B-10-11、（社）
電子情報通信学会（3）	IEEE Std. 802.3cc Amendment 11（2017）（4）	Yung-Cheng Liao,“DesignCon 2016 25 G Long Reach Cable
Link System Equalization Optimization”（2015）

ジッタ

信号波形の時間軸方向に生じるタイミング揺らぎ。熱雑音や伝送時の波形歪みなどに起因する。
執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

※10

DML

宮関勇 輔＊ ：情報ネットワーク研究開発センター
博士（工学）

自念圭 輔 ：情報ネットワーク研究開発センターグループ長
博士（工学）

船田

知 之 ：シニアスペシャリスト
情報ネットワーク研究開発センター

山内

聖 司 ：住電オプコム㈱Directly Modulated Laser：直接変調型の光送信器。
※11

APD

Avalanche Photo Diode：アバランシェブレークダウン（雪崩降伏）を用いた光受信器。
※12

FPGAField Programmable Gate Array：運用環境で回路の再構成が可能な IC。
※13

NRZ

Non-Return to Zero：各ビット間の電圧が0 V に戻らない変調方式。
※14

次長

PRBS 信号

Pseudo-Random Binary Sequence 信号：疑似ランダムバイナリ信号。
※15ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
＊主執筆者

SFP28

光トランシーバのフォームファクタ。
※16

リニア受信

受信光信号を線形増幅（リニア）で電気信号に変換する受信手法。光信号波形を保持したまま、電気信号への変換が可能で、DFE 適用による補償効果が大きい。

信号補償と低帯域光受信器を用いた光集線装置

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