情報通信

小型低消費電力 1 0 G b i t / s プラガブル
光トランシーバ S F P + の開発
稲野大森小川沼滋 ・吉＊川寛康・石橋堅博・加宣子・佐智・前田靖

裕博人・倉島宏実藤考利・神杉秀昭藤俊介

10Gbit/s Pluggable SFP+ Optical Transceiver ─ by Shigeru Inano, Satoshi Yoshikawa, Yasuhiro Maeda, Hiroyasu
Oomori, Hiroto Ishibashi, Hiromi Kurashima, Katahiro Ogawa, Takatoshi Kato, Hideaki Kamisugi, Nobuko Numasaki
and Syunsuke Sato ─ SFP+ is the latest pluggable 10Gbit/s optical transceiver. Its form factor is compatible withSFP, which is a major lower-speed (below 4Gbit/s) optical transceiver on conventional optical networks. This paper
describes the fundamental structure of SFP+ and the design of Sumitomo Electric’s “SPP5101-SR” 850nm SFP+ for
10Gbit/s multimode-fiber application (10GBASE-SR). Sumitomo Electric had developed in the past the 300pin, X2and XFP as 10Gbit/s optical transceivers. The advantages SFP+ has over these transceivers are not only
compatibility with SFP, but also the smallest size and the lowest power consumption (below 1W per data port). SFP+
could be the most versatile device for expanding high-speed optical data communication networks.

1.

緒言

一般に ICT（Information Communication technology）と通信ネットワークを構築することが可能であるが、伝送速呼ばれる情報通信技術の発展により大量のデータ通信が可度 10Gbit/s（10GBASE）では電気ケーブルでカバーできる能となり、その重要性も年々増している。

距離は最大 15m しかない＊。

大量のデータ通信を通信できるようになり、近年市民権すなわち、これまで電気ケーブルで構築してきた近距離を得た「ユビキタス（ubiquitous）」の言葉に象徴されるよの接続も 10Gbit/s の通信ネットワークでは光ファイバによ

うに、今では意識すらしないが、データ通信なしで社会生る接続の必要性が大きくなり、通信ネットワークの構成要活ができないのではないかとさえ思われる。

素としてより重要になっている。

本論文では、今後さらに大量のデータ通信を必要とされまた、これからの通信ネットワークはその多用途性、大る通信ネットワークへの適用する小型、低消費電力、容量性すなわち高速性、柔軟性が常に求められ、増設、切10Gbit/s 光トランシーバ「SFP+（エスエフピープラス）」

り替えが容易なシステムが要求される。大容量通信ネットについて述べる。

ワークのインフラストラクチャである光ファイバ網との接続に使用される光トランシーバにはシステム稼働後に増2.

通信ネットワークの大容量化と 10Gbit/s
光トランシーバの標準化設、交換すなわち活線挿抜が可能であるホットプラガブル光トランシーバ（プラガブル光トランシーバ）が多く採用されている。

データ通信を行う通信ネットワークにおいてその末端にプラガブル光トランシーバは活線挿抜が可能という性質位置するサーバや、FTTH による家庭内の映像装置、デスもあり供給元が複数となる MSA（Multi Source Agreement）

クトップのパーソナルコンピュータにまで Gbit/s 級の伝送と呼ばれる業界標準の形態となることが多い。これはシス速度が広がり、ボトルネック解消のためよりネットワークテム全体から見た時の供給の安定性を確保とともに、オーが数回線でも集約される部分には大容量通信の 10Gbit/s のプンな仕様とすることで、新規技術が参入しやすいという通信ネットワーク構築が必要であり、高速なデータ通信が利点がある。

必要になるとともに伝送媒体として広帯域、低損失である光ファイバによるネットワーク構築が進められている。
さらに 1Gbit/s 級（1000BASE）の通信ネットワークでは伝送媒体としてツイストペア（UTP）を代表とする電気ケーブルを用いてラック間、社屋内の距離である 100m の当社では通信ネットワークの伝送速度が数 Mbit/s の時代から光トランシーバの開発、製品化を行ってきており、プラガブル光トランシーバについても世界に先駆けて製品化を進めてきた（1）。
現在のプラガブル光トランシーバの主流である SFP−（ 54 ）− 小型低消費電力 10Gbit/s プラガブル光トランシーバ SFP+ の開発

（Small Form factor Pluggable）は 2001 年に制定され、正面

2−2SFP+ の仕様

10Gbit/s 用光トランシーバはパネルでは RJ45 コネクタと同じ投影面積で Gbit/s 級の伝300pin, XENPAK, XFP と機能をラインカード側とバランス送に用いられている。（INF-8074i: SFF committee）

を取りながら機能限定とポートあたりの消費電力の削減を10Gbit/s のプラガブル光トランシーバとしては 2003 −進めてきた。

2005 年に XENPAK、XFP さらに XENPAK の派生である

SFP+ は前述のように機構面では SFP と互換性を持ち、

X2、XPAK が制定され、実システムへの適用が進んできた。

最大 48 連ポートへの搭載を前提に仕様を決定されており、

2−1

SFP+ MSA

2006 年 1 月に、通信ネット

ワークの更なる大容量化の要求から、SFP+（写真 1）と呼最大消費電力の規定は 1W（Level 1）と 1.5W（Level 2）の二段階である。

ばれる、従来の SFP のサイズの 10Gbit/s へのアップグレー

Level 1 はヒートシンクが不要な構成であり、より小型、ド版の MSA が開始された。仕様は SFF Committee で SFF-多連装のシステムへの実装が可能である。また Level 2 は8431 として管理されている。

ヒートシンクを前提とされているが、電源投入時には 1W以下で起動し、Level 2 での起動が許される場合にのみLevel 2 での動作が開始される。また電源電圧は＋ 3.3V 単一である。
電 気 信 号 イ ン タ フ ェ ー ス は SFP+ high speed serial
electrical interface（SFI）と呼ばれる主信号（10Gbit/s）の差動入出力、電源、グランドの他に速度設定ピン、信号強制断、警告、さらに 2-wire インタフェースにより認証、内部動作状態の監視などを行う。
ピン配置は従来の SFP と互換性があるが、10Gbit/s への拡張のためラインカード上のコネクタは高周波特性の改善された Enhanced 型が必要とされる。
写真 2、表 1 に X2、XFP および SFP+ の比較を示す。

写真 1

SFP+ 外観

MSA での仕様策定過程において参加各社で製品設計を進め、この製品設計から MSA へ仕様策定へのフィードバッ
クが行われ、より現実的な仕様となっている。
MSA ではラインカード側のインタフェースの観点で議論され、仕様に謳われるのはサイズや発熱を決める消費電力を含む機構面とラインカード側に接続される電気信号インタフェースである。光側のインタフェースについてはその適用されるシステムにより個別に議論、決定される。
通常の標準化と同じく MSA においても、既存技術により実現できる仕様であることが条件とされる。SFP+ では
その時点での技術到達度の観点から、消費電力をおさえる

写真 2

10Gbit/s プラガブル光トランシーバ（左から、X2, XFP, SFP+）ために、クロック再生機能を有しないことが前提となっている。
それに伴い、仕様策定として議論の結果、MSA のスコー

表1

プからはテレコム（SONET/SDH）への適用は削除され、データコムに特化してサイズ、消費電力を絞り込むことで高密度実装対応を可能とした SFP+、テレコム、データコ

X2
光インタフェース
電気インタフェース

ム双方のアプリケーションに対応する XFP、との位置付け
サイズとされた。
ただし、MSA はシステム側のサイズを含む機構および電気インタフェースを定めているものであり、テレコムやその他の新しい応用を制限するものではない。

10Gbit/s プラガブル光トランシーバ比較

消費電力
主な適用範囲XFPSFP+

10Gbit/s シリアル
3.125Gbit/s
× 4 レーン

10Gbit/s
シリアル10Gbit/s
シリアル91 × 36 ×78 × 18 ×55.7 × 13.4 ×13.4mm（44cc） 8.8mm（12.5cc） 8.8mm（6.6cc）
4.5W

2.5W

1.0W

データコム

データコム
テレコム

データコム

2 0 0 9 年 1 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 174 号 −（ 55 ）−3.

10GBASE-SR SFP+

SFP+ の MSA を基にマルチモードファイバ（MMF）用光トランシーバ「SPP5101-SR」を開発した。
10GBASE-SR 用 SFP+ の構成と特性

3−1

内部

機能ブロックを図 1 に示し、主要諸元を表 2 に示す。

SFP＋
電気信号入力10Gbit/s

レーザ
駆動回路

監視、認識信号2-wire

MCU

電気信号出力10Gbit/s

ポストアンプ

光信号出力10Gbit/s

TOSA

写真 3

光出力

ROSA
光信号入力
10Gbit/s
受信感度

対

OMA

1.0E-04
TOSA：Transmission Optical Sub Assenbly
ROSA：Reciver Optical Sub Assenbly

ストレスなし1.0E-05

図1■

SFP+ 機能ブロック図項

ビット誤り率

1.0E-06

表2SFP+（SPP5101-SR）性能緒元目

伝送速度

仕様値
10.3125Gbit/s
9.95Gbit/s

媒体

MMF

伝送距離26-300m

送信 出力波長

●

光イ
出力パワン
タ
フ 受信 波長ェ
感度 ストレス無ース
ストレス有

備

IEEE802.3ae規定
ストレス状態■●■

1.0E-07■●

1.0E-08■

1.0E-09

考●1.0E-10

10GBASE-SR/SW
IEEE802.3ae LAN
PHY/WAN PHY■●

1.0E-11■
1.0E-12■●1.0E-13
1.0E-14-17.5 -16.5 -15.5 -14.5 -13.5 -12.5 -11.5

ファイバのグレードに依存する

入力光振幅（OMA）［dBm］

840〜850nm＞-4.3dBm●

図2

受信感度測定結果

OMA

840〜850nm-11.1dBm

OMA-7.5dBm

OMA

電気インタフェース

SFI

SFF-8431

気信号、光信号については前章で述べたとおりであるが、動作温度範囲

0-70C

ケース温度

現在の電子機器で重要な要素となるのが、電磁両立性

電源電圧3.3V+/-5％（Electromagnetic Compatibility: EMC）であり、特に放射ノ消費電力1.0W以下

Typ.0.6Wイズの低減が必須である。

3−2

EMC 設計通信のインタフェースとなる電SFP+ のパッケージング自体はこれまで述べたように従来の SFP と同じであり、挿抜機構等は基本的に同一である。
SFP+ はラインカードに実装された金属製の箱（ケージ）
IEEE802.3ae に規定される 10GBASE-SR では、送信光信に挿入される。ケージはフロントパネルの開口部付近と接号 が 、 ス ペ ク ト ラ ム 幅 、 光 振 幅 （ Optical Modulation

点を持ち、放射ノイズの伝搬を抑える構造となっている。

Amplitude: OMA）、安全面からの光パワの上限から設定さここで放射ノイズの発生源とその伝搬経路を図 3 に整理すれる。

る。ここで SFP+ 本体のみならず、ラインカード上にある

写真 3 に光出力波形と図 2 に受信感度特性を示す。IEEE信号処理回路からもノイズが放射される。

802.3ae では光入力信号に実際の伝送線路で発生しうる最悪システムに SFP+ が実装された場合、放射されるノイズ状態を模擬した状態（ストレス状態）での伝送（受信感度）

は、SFP+ により決定される系（ノイズ発生源 1 ；経路 A）が規定されている。と、SFP+ とケージの系（ノイズ発生源 1（と 2）；経路 B）、−（ 56 ）− 小型低消費電力 10Gbit/s プラガブル光トランシーバ SFP+ の開発

10.31GHz horizontal polarization

SFP＋Frequency

フロントパネル

20.00%
■
■

■

■

0.00%
45.0

■

42.5

■

40.0

：ノイズ伝搬経路■

■

37.5

■

35.0

★：ノイズ発生源

ラインカード32.5

電気コネクタ80.00%

40.00%

30.0

OSA

100.00%

■27.5

経路 C■

60.00%

10.0

PCB■

■

25.0

経路 B

■
■

22.5

光コネクタ

accumulation %■floor level

20.0

ノイズ発生源 2161412108642017.5

経路 AFrequency

ケージ

経路 B

15.0

ノイズ発生源 1

12.5

経路 C■

■

electric field strength [dBµV/m]

図3

ノイズ伝搬経路
10.313GHz vertical polarization
Frequency14となる。経路 B は光トランシーバが実装されるラインカー

1260.00%

8620.00%

2cation Commission）によって規定される「Class B」であり、

■

■

25.0

27.5

0.00%
45.0

■

42.5

■

40.0

■

22.5

■

20.0

■

17.5

SFP+ に要求される放射ノイズは FCC（Federal Communi-■■15.0

10Gbit/s で通信する

012.5

考慮すべき規定

40.00%

■

410.0

3−2−1

■

37.5

える設計が必要である。

100.00%80.00%

1035.0な設計は難しいが、SFP+ とケージの間隙からの放射を抑■■

32.5

ド上の信号発生源との位置関係などに依存するため定量的

floor level

30.0

Frequency

ケージとフロントパネルの系（ノイズ発生源 2 ：経路 C）

accumulation %■electric field strength [dBµV/m]

3m 法で放射ノイズ電界強度 54dBμV/m 以下を達成することが必要である。
3−2−2

シールド設計SFP+ からの放射ノイズ抑制には、回路設計と機構設計からのアプローチが重要である。前者に関しては、信号線のインピーダンス調整やグランドや電源との位置関係などに配慮し、放射の少ない回路

10.31 GHzHORVER

Average X［dBμV/m］

35.133.9

Standard deviation σ［dB］

2.7

2.9

X + 3σ［dBμV/m］

43.242.6構成を採用し、後者に関しては、前述した伝搬経路を塞ぐ

図5ことが重要となる。具体的には光トランシーバとして塞げ10GHz の測定結果ない光コネクタの部分の処理、SFP+ 外周とケージの接触部分の処理が重要である。
3m 法の評価系を図 4

偏波それぞれ平均で 35dBμV/m 程度となっており、目標のに示す。システムカードを模擬したテストボックスのポー

3 − 2 − 3 電界強度評価結果

54dBμV/m（FCC Class B）以下を十分な余裕を持って満たト内で SFP+ を動作させた際の電界強度を測定した。

しており、多連実装での使用にも十分に耐えうる特性で10GHz ポイントの測定結果を図 5 に示す。水平偏波、垂直ある。
3−3

SFP+ 駆動に求められる機能

前述のようにSFP+ はクロック再生機能が含まれていないため、その10Gbit/s の伝送速度の入出力の信号は図 6 − 1 に示すよう
Fiber cable : multi mode fiber (MMF)
Measurement Type : Peak detection
Antenna distance : 3mにラインカード上の信号配線の長さによる劣化の影響を受

Test Box

ける。
したがって、その劣化はラインカード上の信号処理部に
図 6 − 2 に示すような減衰する信号をあらかじめ補正してMMF

SFP+ module

Light source(SFP+SR)

BERT(#)

Coaxialcable

Test Box# BERT : Bit Error Rate Tester

するプリエンファシス回路を採用し、SFP+ への入力へはその信号発生器の信号が入力端で正常伝送できるように設定されなければならない。
SFP+ を駆動するシステムにおいてはこのプリエンファシスの度合いをそのラインカード上の配線の長さ、またAnechoic Chamber

SFP+ での波形歪に合わせて設定できる機能がシステム設
図43m 法評価系計上必要とされる。

2 0 0 9 年 1 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 174 号 −（ 57 ）−

参

光出力波形

考

文

献

（1）西江、「光データリンクの研究開発」、SEI テクニカルレビュー・第173 号、p1-13（2008 年 7 月）

SFP+6インチ

執

レーザ
駆動回路

システム側
信号処理部

筆

稲野

レーザー
ダイオード
フォトダイオード
ポスト
アンプ

図6−1

TIA

ラインカード上の SFP+

光出力波形

SFP+6インチ

レーザ
駆動回路
レーザー
ダイオード

システム側
信号処理部

フォトダイオード
ポスト
アンプ

図6−2

4.

結者 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------滋＊：伝送デバイス研究所
光機能モジュール研究部
プロジェクトリーダー
光ネットワーク用光トランシーバ開発、光伝送仕様の標準化に従事

吉川智 ：伝送デバイス研究所

光機能モジュール研究部

前田靖 裕 ：伝送デバイス研究所

光機能モジュール研究部

大森寛 康 ：伝送デバイス研究所

光機能モジュール研究部

石橋博 人 ：伝送デバイス研究所
グループ長

光機能モジュール研究部

倉島宏 実 ：光伝送デバイス事業部

開発部

小川

堅 博 ：光伝送デバイス事業部

製造部

加藤

考 利 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

光機能モジュール研究部

主席

神杉秀 昭 ：伝送デバイス研究所

光機能モジュール研究部

主査

沼

宣 子 ：伝送デバイス研究所

光機能モジュール研究部

主査

グループ長

佐 藤 俊 介 ：伝送デバイス研究所 光通信デバイス研究部--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

TIA

ラインカード上の SFP+
システム側信号処理部にプリエンファシス機能言

本報告ではマルチモードファイバ用（850nm）SFP+「SPP5101-SR」の開発について述べた。SFP+ はそのサイズ、消費電力から、10Gbit/s の適応範囲を広げ、通信ネットワークの原動力となるものである。長距離光ネットワークへの応用として、シングルモードファイバ（SMF）への適用も急がれる。

＊10GBASE-T（IEEE802.3an）では電気ケーブルでの 100m の伝送を謳っているが特殊なケーブルの使用、ポートあたりの消費電力大きい等、実際の通信ネットワークへの適用には未だ問題がある。

−（ 58 ）− 小型低消費電力 10Gbit/s プラガブル光トランシーバ SFP+ の開発