情報通信

高密度マルチポート光アンプの開発＊稲場

陽一・太宮本敏行

田順一・久保祐

二Development of High Density Multi-Port Optical Amplifier ─ by Youichi Inaba, Junichi Ota, Yuji Kubo and Toshiyuki
Miyamoto ─ The demand for high speed Internet services is ever increasing. As of April 2010, there are 30 million
Internet subscribers using the FTTH (Fiber to the Home) service in Japan alone. Meanwhile, the Japanese government
has launched the digital terrestrial broadcasting service in view of the effective use of frequency range and improvement
in image quality. The transition from analog to digital broadcasting will be completed by 2011 For this change, specialized
broadcasting fixtures are required to convert currently used VHF (very high frequency) to UHF (ultra high frequency)
allotted for the digital terrestrial broadcasting.
The FTTH network can contribute to the digital broadcasting service for the following two reasons. Firstly, its PON (passiveoptical network) topology enables the distribution of digital information to mass subscribers by single core optical fiber,
thereby making the installation easy. Secondly, subscribers can use their existing broadcasting fixtures just by setting up
a receiver (V-ONU). This is because FTTH broadcasting uses a different wavelength from that of telecommunications
within the same optical fiber. Consequently, there has been an increase in the number of telecommunications carriers thatoffer the FTTH broadcasting service since 2005.
The use of a multi port optical amplifier enables the distribution of video signals to many subscribers at the same time, andis therefore economical. To respond to this trend, we have developed a high density multi port optical amplifier (D-SPN)
based on our previous product SPN. The new amplifier has 48 output ports, allowing 1.5 times more distribution than theoriginal SPN with 32 ports, while the device size remains the same – EIA (Electronic Industries Association)-compliant 3Usize. Here, we report on the architecture and characteristic specifications of the new amplifier from a technical viewpoint.
Keywords: optical amplifier, high density, multi port, 3U size

1.

緒

言

我国ではインターネット接続サービスの高速化要求に呼FTTH 放送を経済的に提供するためには、たくさんの加応する形で、FTTH（Fiber To The Home）網の整備が進入者に映像信号を分配する必要がある。このため、1 台でみ、2010 年 4 月現在、3,000 万件もの加入者が、高速光通複数の出力ポートを持つマルチポート光アンプが必須と信を享受している。一方、放送でも技術革新が進み、2011なっている。従来、我々は幅 430mm、高さ 132mm、奥年には地上波放送もデジタル化される予定となっている。

行き 440mm のサイズ（EIA 規格のラックの 3U サイズ）

地上波のデジタル化により、従来 VHF 帯でなされていた放に 32 ポートの光アンプ（SPN）を FTTH 放送用途に提供送が、UHF 帯に移行することになり、アンテナの新設などしていたが、今回同じサイズで 1.5 倍（48 ポート）の分配加入者側の放送設備の更新が必要となっている。FTTH 網が可能である高密度マルチポート光アンプ（D-SPN）を開は通信用途に整備されたものではあるが、1 心の光ファイ発した。ここでは、本製品の開発における技術的特長を中バを多数の加入者でシェアする、PON（Passive Optical

心に、設計思想、性能仕様について報告する。

Network）トポロジーで整備されたため、放送で用いられるブロードキャスト方式にも適した形態となっていた。通信用途の FTTH 網に、通信と異なる波長で放送波を重畳す

2.

映像分配伝達システム

る FTTH 放送は通信用途の光ファイバ網を使用するため、FTTH 映像伝送は、多チャンネル映像コンテンツを多数加入者側では受信機（V-ONU）を設置するだけで、従来のの加入者に分配伝送する放送の形態をとる。図 1 に示すよ放送設備と親和性の高い設備構築が可能であることから、

うに、（FTTH 映像伝送に適した光増幅器の特性がシステム

2005 年頃から、本格的に FTTH 放送を提供する通信キャ構成上非常に重要である。）ヘッドエンド設備から送出さリアが増えてきた。

れた電気の映像信号は、光送信機によって光増幅に適した

2 0 1 0 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 7 号 −（ 75 ）−サブセンタX

IP用光カプラ

PON局側装置

加入者宅

IP用光ファイバセンター分

TV

ORX

加入者宅

〈センタ間多段中継〉

PC

ONU

70〜770MHz

分

サブセンタYPC〈2心ドロップの場合〉

配光送信機
光増幅分配器HE

CAT5CATS

同軸（70〜770MHz）
STB

配光増幅器

配

放送用光ファイバ分

ギガビットL3スイッチ

ONU

放送用光カプラ

分

光増幅器

WDM
フィルター

共用光カプラ

配WDM
フィルター

STB

TV

ORX
〈1心ドロップの場合〉
IP用光カプラサブセンタn
放送用光カプラ

図1

FTTH 映像分配伝送システムの構成

1.55µm 帯の波長を用いた光映像信号に変換される。光映

表1

D-SPN と SPN の設計比較

像信号は、分配損失と伝送損失を補償するために光増幅され、多段に増幅、分配、伝送を繰り返した後に PON 方式（下り波長： 1.49µm、上がり波長： 1.31µm 帯）による加入者網へ合波される。
このような使用形態から、映像分配伝送用光増幅器には、

SPN

D-SPN

下位アンプユニット搭載数［台］812

出力ポート数［port］

3248

雑音特性、効率的な遠隔制御・監視機能などが要求される。

3.

高密度マルチポート光アンプ（D-SPN）の特性
3−1

設

計

ポート数： 1.5 倍サブラックユニットサイズ

3U

3U

最大消費電力［W］

400

460

ポート数 1.5 倍に対し、消費電力 1.15倍に抑制

13

総質量： 75 ％まで
抑制
D-SPN ： AC 電源
ユニット
搭載時：
20kg

総質量［kg］

17

本高密度マルチポート光アンプ（D-SPN）は従来のマルチポート光アンプ（SPN）よりもポート数を増加させるため、高密度の実装を可能とする設計を

徴

EIA 規格D-SPN ： AC 電源
ユニット
搭載時： 4U サイズ

高密度実装が可能で低消費電力、分配数を増やすための高出力とそれに伴う安全への配慮、多段増幅を行うための低特仕様環境温度［℃］-5 〜 40℃ -5 〜 40℃行っている。
表 1 に D-SPN と SPN の設計比較を示す。

設計は、従来の SPN のユニットサイズ、消費電力、総質なる。このため、②フロント部を占有している電源ユニッ量、使用温度を保持し、出力ポートを 1.5 倍の高密度化をトおよび監視ユニットを小型化し別の場所に収容させる方いっている。高密度の実装を可能とする方法としては、①法をとることで、出力ポート数を SPN の 1.5 倍とする高密光アンプユニットの小型化、②従来品の SPN においては、度化の設計を検討した。

フロント部の一部を占めアンプユニット数の減少の要因と電源ユニット、監視ユニットを小型化し、別の場所に備なっていた電源ユニットおよび監視ユニットを別の場所にえることで構造的に 1.5 倍のアンプユニットを収容するこ移動させる、という方法が考えられる。①光アンプユニッとは容易ではあるがアンプユニットの増加により、サブトの小型化は熱密度が増加するため、放熱限界に達し易くラック単体での発生する熱量も 1.5 倍となるため、現状の−（ 76 ）− 高密度マルチポート光アンプの開発

冷却方式ではラック内の温度が従来品よりも高くなることめ、サブラックユニットに標準実装することでアンプユニッが予想された。また、SPN ではバックボードが通風障壁とトを実装する空間を生み出す方法を検討した。監視ユニットなっており、中央に配置された 2 個のファンで冷却していをサブラックユニットと一体化し配置するためには、監視ユるが、同構造のシャーシを踏襲すると D-SPN の場合ではニットを 25 ％程度までの小型化する必要があった。小型を部分的に冷却が不十分になることが予想された。このため、行った監視ユット基板と従来品との比較を写真 1 に示す。

バックボード、ファンについても新規に設計をした。また、ソフトウェアの書き込みをコンパクトフラッシュからメSPN では 1 台の上位アンプに対して 8 台の下位アンプで構モリーカードに変更、IO ポートの低減、シリアルポートを成されているが、D-SPN では 12 台に増加するために、上4ch から 2ch へ低減、イーサーポートを 2ch から 1ch へ低位アンプの光分配方式を見直しした。

減、タッチパネルインタフェイスの廃止を行うことで、従3−2対来基板の面積比 30 ％で小型化した監視ボードを採用する

策（1）電源ユニットことが可能となった。電源と SNMP 基板のバックボード配

国内の通信キャリアが標準的に使用している電源である
DC-48V をアンプユニットに直接給電する形式にすること

置を写真 2 に示す。

（3）冷却方式の見直し

で、電源ユニットを省略し、フロント部に光アンプユニッ冷却効率を向上させるため、バックボードに配置するトを実装する空間を生み出した。また、給電電圧を DC5V

DC 電源入力端および監視ユニットは、発生した熱を逃が電源から DC48V 電源に変更することで、電流を約 1/8 ましやすいようにサブラックユニットの下方に配置した。次で低減でき、従来のバスバーをバックボード内部に取り入に、冷却ファンの構成も、従来は大型ファン 2 台（サイれる構造とした。AC100V 給電に対しては、1U サイズのズ： 120mm × 120mm）をサブラックユニット背面の中心外部電源ユニットを用いることで、AC100V 〜 240V の部に配置していたため、サブラックの両端部の冷却効率がAC 電源にも対応が可能となっている。

悪い（風量が少ない）状態となっていた。また、冷却効率（2）監視ユニットの平均化を図るため、6 台の小型のファンユニット（サイ大多数のキャリアにおいて、SNMP（Simple Network
Management Protocol）を用いた管理機能が使用されるた

ズ： 60mm × 60mm）に変更した。
写真 3 にファンユニットの配置を、図 2 に冷却量（風量）のシミュレーション結果を示す。

写真 1

写真 2

SNMP 基板 従来品との比較（上：従来品、下：小型化品）

電源と SNMP 基板配置写真（左：電源、右： SNMP 基板）

写真 3

図2

ファンユニット配置写真

冷却量（風量）のシミュレーション結果

2 0 1 0 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 7 号 −（ 77 ）−熱を逃がしやすいようにサブラックユニット上部にファンを配置し、小型のファンユニットをサブラック全体に行き渡るよう配置することで、風量の平均化を実行した。結果、サブラック壁面付近の空気の流れも滞ることなくアンプユニットの間を流れる空気の流れが平均化しており、各アンプユニットを効率的に冷却することが可能であることが確認できた。
冷却効率を向上したことで、従来と同等の動作温度かつ1.5 倍の高密度化を達成した高密度マルチポート光アンプの開発が可能となった。

写真 4（4）光アンプの分配方式

D-SPN 外観写真

図 3 に上位ユニットの分岐図を示す。

光アンプユニットは、高出力の増幅を行うため、上位アンプユニットと下位アンプユニットの 2 段の増幅形式を取っている。D-SPN では、下位アンプユニットを 12 台実装できる設計となってため、上位アンプユニットは 12 分岐する必要がある。しかしながら、ポート分岐のために使用する光カプラは 2 のべき乗に対応させることが通常である。12 分岐である D-SPN においては、通常であれば 16 分岐を行い 4 分岐分のパワーを無駄にしてしまうが、図 3 の

写真 5AC 電源ユニット外観写真

表2

D-SPN の主要光学特性ように光アンプを構成することで、本来であれば無駄となってしまう 4 分岐分のパワーを無駄にすることなく 12 分岐とすることを可能としている。また、上位アンプユニッ
トは前方励起 980nmLD を、後方励起として 1480nmLDを使用する双方向励起により相互バックアップを行い、信項目

入力光波長範囲頼性を向上させている。

光コネクタ
3dBカプラ

17dBカプラ

出力ポート：1−1220dBカプラ 5dBカプラ

仕様

備考1550 〜 1560nm
上位測光

入力− SC 型／ SPC
又は APC 研磨

アンプ
ユニット

出力− MU 型／
SPC 研磨光アンプ

入力− SC 型／
APC 研磨ユニット

出力− MU 型／
SPC 研磨入力光レベル（Pin）0dBm 〜＋ 15dBm雑音指数

6.5dB 以下

＠Pin ＝ 0dBm、λ＝ 1550nm
出力設定＋17dBm 時

偏光依存利得

0.5dBp − p 以下

信号入力レベル： 0dBm

出力ポート数8 ポート×最大 12 台実装

出力光レベル＋ 17dBm 出力× 8 ポート
信号入力レベル： 0dBm
（設定変更により最大 18dBm まで可能）

外部インターフェース

Ethernet ポート（RJ-45）、RS-232C（D-Sub9 ピン）

写真 4、写真 5 に今回開発した

監視制御

SNMP および TELNET

電

DC-48VD-SPN は EIA/JIS19 インチラック 3U サイズのサブラック

動作温度

980nmLD

1480nmLD

モニタポート

図33−3

上位アンプユニット分岐図

D-SPN の構成

D-SPN および外部電源ユニットとの外観を示す。

源-5 ℃〜 40 ℃にアンプユニットを 13 台搭載可能とし、冗長構成をもつ
DC48V の電源および SNMP による管理機能を有している。
各アンプユニットは活線挿抜が可能であり、アンプユニッ
トの光ケーブルの配線、異常時や保守時のアンプの交換は前別ユニットとして、冗長構成をもつ AC 電源ユニット面で容易に行うことが可能である。また、サブラック背面よ（1U サイズ）を組み合わせることも可能であり、AC 電源り全てのユニットにアクセス可能であり、電源、通信ケーブユニットと組み合わせた場合には、前面にて全てのユニッルの接続、各種機能の設定の変更が可能となっている。

トにアクセス可能となる。

−（ 78 ）− 高密度マルチポート光アンプの開発

ンプユニットの NF 分布を示す。
上位アンプユニット 9.5dBm 出力光アンプの雑音指数

10（NF）は 5.0dB 以下（実力）、下位アンプユニット 20dBm

度8の出力光アンプの NF は 6.4dB 以下（実力）となっており、

頻

14126

上位アンプユニットと下位アンプユニットの合成 NF の仕4様 上 は 6.5dB だ が 、 実 力 は 平 均 で 4.95dB、 最 大 値 で25.18dB と低雑音特性を有している。

044.2

図44.4

4.64.853−55.2

管理機能

本 D-SPN は、サブラックユニット

NF（dB）

バックボードに充実したモニタ機能、アラーム機能を有し上位アンプの NF 分布（0dBm 入力）の各種パラメータ、電源ユニット、ファンユニットは、ており、これらのモニタ情報、アラーム閾値を含め D-SPN
SNMP により状態の監視、障害発生時には Trap による障害検出を行うことが可能である。これより、遠隔地等でも14機器の設置・管理が可能となり多様なネットワーク構成を12実現することが可能である。

度8頻106（1）各種アラーム機能
光入出力レベル異常、励起 LD 電流異常、励起 LD 温度異常を検知し、前面 LED にてアラームを確認することが可能

4である。更に、安全の為の光出力シャットダウン機能を有

205.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.66.8している。また、電源（ファン）ユニット異常、CPU 異常、7.0通信異常を検知することが可能である。

NF（dB）

図5（2）監視機能
SNMP を介してネットワーク上の監視端末により各ユ下位アンプの NF 分布（9.5dBm 入力）ニットの状態監視、各パラメータ異常の Trap の発出を行うことが可能である。また、NTP サーバによる時刻の管理も行っており、障害発出・復旧の種類・時刻に関してログ

3−4

光学特性

D-SPN の主要光学特性を表 2 に示す。

D-SPN は従来品の SPN と同様マルチポートアンプの主設定、各種ネットワーク設定はコンソール（RS232C）に

図 4 および図 5 に D-SPN の上位アンプユニットと下位ア

表3目

温度条件

振動試験
（フル実装時）室

衝撃試験（フル実装時）室

ヒートサイクル温温信頼性評価結果一覧

その他の条件 他

合格基準（内規）

試験数

試験結果

判

定N＝10.25dB 以下

合格0.25dB 以下

合格0.4dB 以内

合格

0.25dB 以内

合格『90V 〜 264V』において75 〜 265V（ 50/60Hz）にて通常
N＝1合正常に動作する事
動作維持

格50-500Hz，0.25oct./min.，3G、2min/cyc × 30、XYZ 方向、動作時

試験中の異常値が無い事。試験前後の LD 電流、 N ＝ 1
NF、入出力モニタ精度の変動量が 0.5dB 以下。 N ＝ 1

50G、XYZ 方向、非動作時-20 〜 70 ℃ 100 サイクル、非動作時

高温高湿

85 ℃、85 ％ 500 時間、非動作時

電源電圧変動特性-5 ℃、25 ℃、 AC90V 〜 AC264V、
40 ℃
ALC モード（3）遠隔操作機能
アラーム閾値、Trap 発生条件、D-SPN ユニットの光学要光学特性を満たした設計となっている。

項を収集、保存する機能を有している。

N＝1

絶縁抵抗

室

温

DC500V

5MΩ以上絶縁耐圧室

温AC1000V

雷サージ

室

温

コモン：± 2kV、位相（90 °，270 °）ノーマル：± 1kV、位相（90 °，270 °）EMC 特性（伝導ノイズ）

室

温AC100V、フル実装、ALC モード

VCCI

クラス A

N＝1マージン 10dB 以上合格

EMC 特性（放射ノイズ）室温AC100V、フル実装、ALC モード

VCCI

クラス A

N＝1

VCCI クラス A 達成

合格AC100V、フル実装、ALC モード

接触放電± 4kV
気中放電± 8kV

N＝1B 判定（試験後自動復帰）

合格

EMC 特性（ESD 耐性）

室温

N＝15MΩ以上（測定限界以下） 合格

リーク電流 10mA 以下

N ＝ 1 約 5mA（AC1000V 1 分間印加）合格± 2kV
異常動作なき事（自動復帰する事）

N＝1

FG-AC 間（± 2kV）にて通常動合作を維持

格

2 0 1 0 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 7 号 −（ 79 ）−直接接続することや、イーサネットを介した Telnet により設定の変更が可能である。
（4）FTP 機能
FTP サーバ機能を有しており、D-SPN のファームウェアのバージョンアップも FTP により実行可能である。
3−6

信頼性

信頼結果一覧を表 3 に示す。当社で永年培ってきた光増幅技術を基に開発した D-SPN は、信頼性上も振動・衝撃をはじめ、高温・高湿、ヒートサイクル等の環境試験、絶縁抵抗、絶縁耐圧、サージ試験、電源電圧変動試験等の各種信頼性試験をクリアしており安心して使用することが可能である。ESD は試験後自動復帰する B判定を取得しており、また、VCCI はクラス A を取得しており、放射・伝導ノイズの影響を気にすることなく使用することが可能である。

4.

結言

今回、高密度化を実施することによりユニット単価のコスト低減を達成する高密度マルチポート光アンプ開発を行った。この結果、従来の SPN に対し、動作環境、光学特性を維持したままで 1.5 倍の出力ポートを持つ D-SPN を開発することが出来た。また、高密度マルチポート光アンプの高密度化における設計思想、特性を示した。

参考文

献（1）津崎哲文、「映像伝送用光増幅器の開発」、SEI テクニカルレビュー、
第 166 号、71pp.-75pp.（2005.3）

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------稲場

陽 一＊： SEI オプティフロンティア㈱機器事業部 機器技術部
光アンプ製品の開発・設計に従事

太田

順 一 ：光機器事業部

久保祐 二 ： SEI オプティフロンティア㈱機器事業部 機器技術部 グループ長

宮本敏 行 ： SEI オプティフロンティア㈱機器事業部 機器技術部 主査

営業技術部

主幹

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者−（ 80 ）− 高密度マルチポート光アンプの開発