情報通信

1 0 G - E P O N 用小型光トランシーバの開発
船田知之・湯＊田秀逸・岩田章人田中

成斗・曽根秀己・梅田大助

川西康之・田中悠也

Development of 10G-EPON Small Transceiver ─ by Tomoyuki Funada, Shuitsu Yuda, Akihito Iwata, Naruto Tanaka,
Hidemi Sone, Daisuke Umeda, Yasuyuki Kawanishi and Yuuya Tanaka ─ As the amount of Internet traffic increases
every year, expectation is growing for 10 Gigabit Ethernet passive optical network (10G-EPON) technology thatenables high-speed data transmission. For a smooth replacement of the currently-used GE-PON, 10G-EPON needs
to support a maximum channel insertion loss of 29 dB and to coexist with GE-PON in the same optical network. Inaddition, reduction in capital and operating expenditures is required. To meet these demands, optical transceivers
can be a key component. The authors have developed small pluggable optical transceivers for 10G-EPON systems
and confirmed their efficiency and power-saving operation.
Keywords: FTTH, 10G-EPON, optical transceiver, OLT, ONU

1.

緒言

国内のブロードバンドサービス契約者数は 2011 年 12 月Network）への期待が高まっている。

末の時点で 3770 万件となり、現在も増加が続いている。

IEEE 802.3 で 2006 年 3 月から標準化が始まった 10G-

中 で も 光 フ ァ イ バ を 利 用 し た Fiber To The HomeEPON は 2009 年 9 月に標準化が完了し、各研究機関で積（FTTH）サービスは 2189 万件とブロードバンドサービス極的に開発が行われてきた結果、商用レベルの完成度に到全体の 58 ％を占めるまでに成長し、今後も契約者数が増達してきている。

（1）。国内の FTTH サー加していくと予想されている（図 1）

当社は、10G-EPON システムを支える重要部品である光ビスで主に使用されているのは IEEE 802.3 で 2004 年 6 月

トランシーバの小型化と省電力化を進めてきた。本稿では、に 標 準 化 さ れ た Gigabit Ethernet Passive Optical

筆者らが開発した局側装置（OLT）用・宅側装置（ONU）

Network（GE-PON）である。しかしながら、FTTH を利用の小型・プラガブル光トランシーバについて報告する。

用した映像配信サービスの提供、スマートフォンの普及によるオフロードトラフィックの増加、クラウドコンピュー
ティングの進展によって、1Gb/s である GE-PON の帯域不足が懸念されており、10 倍の高速大容量が実現可能な
10G-EPON（ 10Gigabit Ethernet Passive Optical

2.

10G-EPON システム
2−1

要求条件

国内では GE-PON システムを使用した FTTH サービスが大規模に展開されている。光アクセス網の構築には多大な投資が必要なため、10G-EPON シス
テムは、敷設済みの光アクセス網を利用できるよう、既存ブロードバンド契約数［万契約］の光アクセス網の最大線路損失 29dB をサポートすることが要求されている。また、GE-PON から 10G-EPON へのブロードバンド合計

4000

スムーズな移行を実現するため、GE-PON と 10G-EPONFTTHが同一光アクセス網で共存可能になることも要求されてい3000る（図 2）。

2000

2−2

IEEE 802.3av（ 2 ）で は 上 記 10G-

EPON への要求条件を考慮に入れ標準化作業が行われ、非1000

対称用に PRX30、対称用に PR30 というハイパワーバ

02006

2007200820092010

2011年

図1−（ 84 ）−標準化

ブロードバンド契約者数

10G-EPON 用小型光トランシーバの開発

2012

ジェットクラスが定義された。表 1 にその仕様概略を示す。
光送信部の高出力化、光受信部の高感度化、電気デジタル受信回路部の誤り訂正符号（FEC）の 3 つの要素技術により、最大線路損失条件 29dB を実現している。非対称の上り

占める ONU の省電力機能の実現についても SIEPON で議下り Video論されている（4）。

GE-PON

1200

1300

1400

1500

する検討が 2011 年の 7 月より IEEE 802.3 の Extended

波長［nm］

1600

ONU

加入者1(10G)

また、線路損失を 29dB から増やした PMD 層を標準化

下り上り

10G-EPON

EPON と呼ばれる Study Group で行われ、2012 年 3 月にIEEE 802.3bk として Task Force となることが決まった。

10G
10G

通信局
1G

ONU

ONU

1G
10G
下り光（波長多重）加入者3(10G)
1G/10G共存

図2

側設備でより多くの加入者を収容するための多分岐化・長延化に対する要望に応じたものである。

時間
上り光（時分割多重）加入者2(1G)

これは、システムの導入コスト低減の観点から、1 つの局

3.

OLT

10G-EPON 用光トランシーバ
図 3 に当社における 10G-EPON 用光トランシーバの変遷

最大線路損失29dBを示す。当初、10G 光送信部、1G 光送信部、10G/1G 光

10G-EPON システム構成と波長配置ズであった。その後、光部品の複合化を進め、駆動 IC や受受信部は個別の光部品を組み合わせていたため大きなサイ信 IC の集積化と省電力化も進展した結果、小型化が可能となった。また、最近ではシステム稼働後に増設や交換が可

表1パラメータ下長り上りPR30/PRX30

PR30

PRX30

10.3125

10.3125

1.25

ラインレート波

能な活線挿抜対応（ホットプラガブル）に対する要求が強10G-EPON 標準

1575 ～ 1580 1260 ～ 1280 1260 ～ 1360

UnitGBdnm

最大距離≧ 20≧ 20

≧ 20km

最大線路挿入損失

292929dB

平均光出力
パワー

2～5 *

4 ～ 9 **

≧6消光比（6）と呼ばれる業界標準サイ
Form Factor Pluggable Plus）

ズの光トランシーバの開発を行った。

0.62 ～ 5.62 ** dBm≧6≧6dBTDP

≦ 1.5

≦ 3.0

≦ 1.4dB

ビット誤り率≦ 10-3≦ 10-3≦ 10-12ー-10 ～-28.5-6 ～-28

Rx 平均光受信パワー（ 5）、ONU 用光は SFP+（SmallForm Factor Pluggable）

ＯＬＴ

Tx

いこともあり、今回、OLT 用は XFP（10Gbit/s Small＊＊消光比 6dB

ＯＮＵ

PRX30 の上り（1Gb/s）に関しては、29dB の線路損失を満たす国内の GE-PON システムの仕様が反映された。また、
GE-PON との共存を実現可能とするよう図 2 に示す波長配

2010年

今回

観

XFP

-9.38 ～-29.78 dBm＊ 消光比 9dB

2009年
外サイズ（cc） 52
光コネクタ ピグテール
機能
外34
ピグテール

13レセプタクル
プラガブル

25レセプタクル
省電力機能

7レセプタクル
省電力機能

観SFP+サイズ（cc） 36
光コネクタ ピグテール
機能

置が決められた。

図3

一方、IEEE 802.3 での標準化は伝送仕様（PHY 層※ 1 と10G-EPON 用光トランシーバの小型化

MAC 層 ※ 2 ）が対象であり、より上位のシステムレベルでの標準化は対象外であったため、通信事業者やベンダ間での相互接続に問題が生じることがあった。そこで、システ
ム レ ベ ル で の 相 互 接 続 性 の 実 現 を 目 的 と し て IEEE
P1904.1 WG が形成され、2012 年 12 月に標準化完了を目指して標準化が行われている。 こ の 規 格 は SIEPON（ 3）（Service Interoperability in Ethernet Passive OpticalNetworks）と呼ばれている。近年の省電力化に対する社会的意識の高まりから、PON システムで多くの消費電力を3−1

OLT 用光トランシーバの構成と特性

10G-

EPON は GE-PON からスムーズに移行できるよう、局舎側に設置される OLT は GE-PON の下り信号である 1490nm
帯の 1Gb/s 信号光と、1577nm 帯の 10Gb/s 下り信号光を合わせて送信する必要がある。
また、加入者側に設置される ONU からの上り信号光は、
G-EPON ONU からの 1310nm 帯の 1Gb/s 信号光と 10G-

2 0 1 2 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 1 号 −（ 85 ）−EPON ONU からの 1270nm 帯の 10Gb/s 信号光があるた
め、10G-EPON OLT の受信器では 1Gb/s と 10Gb/s の信号光を受信できる受信器が必要となる。今回開発した OLT分波器を経て送信される。図 5 に光出力波形を示す。ここでは、10G 光出力は全温度範囲で光出力 +4dBm ・消光比10dB に、1G 光出力は +5dBm ・消光比 11dB に設定して用光トランシーバの概略ブロック構成とトライポートの一いる。

心双方向デバイス（Bi-D: Bi-Directional optical module）（2）受信部を図 4 に示す。

光受信信号は下り信号との分波器を経て、アバラン
シェ・フォトダイオード（APD）で光電変換され、同じキャンパッケージ内のプリアンプで増幅される。このプリアンプは 1Gb/s と 10Gb/s のバースト信号光を受信できる
デュアルレートバースト受信 IC で、1G と 10G で受信帯域を切り替える機能を有している。図 6 と図 7 にバースト信号の受信例を示す。
APD bias

この測定では、1310nm 帯の 1G ダミー光を最大入力規レートセレクト信号格である-6dBm の強度で入力した直後に、ガードタイムなAPD

1G/10G受信信号

ポストアンプ

1G送信信号

プリアンプ

LD駆動回路ダミー光 信号光
1Gb/s
1Gb/s or 10Gb/s

光入出力
DFBレーザ

10G送信信号

光入力

EML駆動回路

EML

温度制御回路ペルチェ素子
Controller

Bi-D（1us/div）
ポストアンプ
出力

10G-EPON OLT光トランシーバ

図4SyncPattern

OLT 用光トランシーバのブロック構成

Payload
10G: PRBS 2^31-1
1G: PRBS 2^7-1

光入力（100ns/div）（1）送信部
10G 送信部には 1577nm で発振する単一モードの DFB

ポストアンプ
出力

レーザと電界吸収型光変調器を 1 チップに集積化した変調器集積型レーザ（EML）を温度制御して使用し、EML 駆

図6

動 IC で変調している。省電力化のため、EML の駆動方式

バースト受信信号は低電圧動作を実現できる AC 駆動型を採用した。1G 送信部には 1490nm 帯で発振する単一モードの DFB レーザを温度制御素子なしで使用して、LD 駆動 IC で変調している。

Bit error curve, Dual-rate burst mode

10G 送信部から出た下り 1577nm 帯の光と 1G 送信部から出た下り 1490nm 帯の光は合波された後、上り信号との1.25Gb/s

Bit Error Ratio

10.3Gb/s

10G 0C
10G 25C
10G 70C
1G 0C
1G 25C
1G 70C

10-2

10-3
10-4
10-6

GE-PON
PRBS 2^7-1

10-8

10G-EPON
PRBS 2^31-1

10-10

10-12-40-38-36-34-32-30-28-26-24

Average received power (dBm)

図5−（ 86 ）−光出力波形

10G-EPON 用小型光トランシーバの開発

図7

バースト受信特性-22-20

しで 1G または 10G で変調された 1270nm 帯の信号光を入電流（Ib）とレーザ変調電流（Imod）を精度よく制御す力している。測定系の都合上、1G のダミー光と 1G の信号る必要がある。レーザ電流を制御する方式には、一般的に光には 10.3Gb/s を 8 分周した 1.29Gb/s の変調信号を用いは、環境温度をモニタして Ib と Imod をあらかじめメモリた。また、Payload 3us の前には 400ns の Sync pattern

された値に設定する温度フィードフォーワード方式と、を配置した。この条件で、10G の信号光に対するバーストバースト送信中の光出力パワーをモニタして、モニタ値がモードでの最小受信感度は約-30dBm、1G の信号光に対す所定の値になるように Ib と Imod を制御するフィードバッ

る最小受信感度は約-34dBm と、規格に対して十分余裕をク APC 方式がある。今回の光トランシーバではその両者を持った値が得られている。

組み合わせ、レーザの経年劣化に対応し、なおかつ高速の3−2

ONU 用光トランシーバの構成と特性図8にバースト応答を実現した。

今回開発した 10G 対称 ONU 用光トランシーバの概略ブまたバースト送信開始時においては、バースト送信オンロック構成を示す。光受信信号は、1550nm 帯のビデオ信時の過渡発光を防ぐため、レーザの発振遅延を考慮して、号 や 1490nm 帯 の 1G 下 り 信 号 を フ ィ ル タ リ ン グ し て変調開始前にバイアス電流のみを与える期間を設けている。

1577nm 帯の 10G 下り連続信号のみ通過された後、10G

図 10 に光送信器の光出力波形のバースト応答波形を示

上り光信号と分波され、APD 受信器で光電変換されてプリす。バースト送信のオンタイムは 65ns、オフタイムは 8nsアンプとポストアンプで増幅される。

を実現している。また光出力パワーは +7dBm、消光比（1）送信部

7.5dB で、全温度で 30 ％以上のアイマスクマージンを得送信部には 1270nm で発振する単一モードの DFB レーザが使用されている。各 ONU からの送信データが衝突している。
（2）省電力機能ないように送信タイミングを制御する時分割多重アクセス

ONU の省電力化のため、通信トラフィックが少ない場方式を実現するため、バースト ON/OFF 制御機能を持った

合に ONU の PON 送信・受信部を一時的に停止（スリープ）

LD 駆動 IC で DFB レーザを直接変調している。

させるプロトコルが SIEPON で規定されている。ONU の10Gb/s の直接変調では、所望の消光比を維持しつつ高スリープモードには送信部のみを停止させる Tx スリープ速変調を実現するため、温度変化に対してレーザバイアスモードと送受信共に停止させる TRx スリープモードがあり、これを実現するための機能を光トランシーバに組み込んでいる。
図 10 にスリープ応答波形を、表 2 にその時の消費電力とRxスリープスリープ制御

TxスリープAPD bias

ポストアンプにより約 2 ～ 3 割に低減する結果を得ている。

プリアンプ
光入出力LD駆動回路

バースト制御信号

費電力は、Tx スリープにより約 4 割に低減、TRx スリープ

APD

10G受信信号10G送信信号スリープ応答時間の評価結果を示す。光トランシーバの消DFBレーザ
Controller

70ns

Txスリープ部
Rxスリープ部

図8

Sleep遷移時間

Bi-D
光出力

ONU 用光トランシーバのブロック構成

510ns

Txスリープ
バースト送信 ⇒ スリープ

図 10
バースト応答Sleep復帰時間

スリープ ⇒ バースト送信ONU 用光トランシーバのスリープ応答

アイダイアグラム

表2

スリープ時の消費電力

通常時
通常時
Tx スリープ TRx スリープ
（連続送信）（送信無し）
時
時

図9

バースト光出力波形（Tc 35deg.C）

消費電力（Tc 35C）

1.1W

0.9W

0.5W

0.3W

消費電力
（Tc 70C）

1.3W

1.0W

0.5W

0.3W

2 0 1 2 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 1 号 −（ 87 ）−（3）受信特性

・ Ethernet＼イーサネットは、富士ゼロックス㈱の登録商標です。

今回開発した ONU 用光トランシーバを ONU に組み込み、受信信号のリタイミング機能と誤り訂正復号機能を有する通信 LSI と組み合わせて受信特性を評価した結果を図11 に示す。この測定では、通信トラフィックにはペイロード部にランダムパターンを挿入したスループット900Mbit/s のイーサネットフレームを用い、フレームエラー率からビットエラー率を換算している。光トランシー
バ内にリタイミング機能を持たない 2R 構成で、良好な受信特性を確認した。

参考文

献（1） 総務省報道資料、「電気通信サービスの契約数及びシェアに関する四半期データの公表」（平成 23 年度第 3 四半期（12 月末））
（2） IEEE 802.3av, http://www.ieee802.org/3/av/（3） IEEE 1904.1, http://www.ieee1904.org/1/（4） 大道 他、「10G-EPON 用通信 LSI の開発」、SEI テクニカルレビュー
第 180 号、pp.43-48（2012）（5） SFF Committee,“ INF-8077i 10 Gigabit Small Form Factor
Pluggable Module”, Revision 4.5, August（2005）（6） SFF Committee,“ SFF-8431 Specifications for Enhanced Small
Form Factor Pluggable Module SFP+”, Revision 4.1, July（2009）

Estimated bit Error Ratio

ONU estimated bit error curve, 25deg.C
2R, 300mVpp_diff
3R, 600mVpp_diff
2R, 600mVpp_diff

10-2

10-310執-4

筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------船田知 之＊：情報通信研究所 光伝送システム研究部
グループ長
光送受信モジュールの開発に従事

湯田秀 逸 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

岩田章 人 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

田中成 斗 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

曽根秀 己 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

主席

梅田大 助 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

主席

川西康 之 ：情報通信研究所

光伝送システム研究部

主席

田中悠 也 ：住友電工ネットワークス㈱

10-6
10-8
10-10

10-12-40-38-36-34-32-30-28-26-24-22-20

Average received power (dBm)

図 11

ONU の受信特性（With 誤り訂正符号）

第一技術本部FTTH 機器部-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4.

結言

10G-EPON システムに使用する小型・プラガブル光トランシーバを開発した。OLT 用は XFP 形態、ONU 用は SFP形態を採用し、上り下り共に IEEE 802.3av の 10G 対称規格である PR30 を満足する良好な特性を確認した。特にONU 用光トランシーバについては、スリープ機能を実装することで大幅な省電力化を実現できることを実証した。

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

PHY 層

Physical 層：通信機能の階層構造を規定する OSI 参照モデルの最下層（第 1 層）を示し、物理的な仕様や伝送路符号化などの仕様が定義されている。
※2MAC 層Media Access Control 層 ： OSI 参 照 モ デ ル の 第 2 層（データリンク層）の副層を示し、フレームのフォーマットやフレームの送受信処理などが定義されている。

−（ 88 ）−

10G-EPON 用小型光トランシーバの開発＊主執筆者