コヒーレント光通信とは？

コヒーレント光通信は、光ファイバー通信の分野における技術です。 従来の非コヒーレント光通信と比較して、コヒーレント光通信には、より長い伝送距離とより大きな伝送容量という技術的な利点があります。 そのため、業界からも注目を集めており、研究への関心も高まっています。

コヒーレント光とは？

コヒーレント光通信を紹介する前に、コヒーレント光とは何かを簡単に紹介しましょう。 私たちはよく「一貫性」について話しますが、それは「相互に関連している、または関与している」という意味であることを誰もが理解しています。 光のコヒーレンスとは、XNUMXつの光波が透過過程で同時に次のXNUMXつの条件を満たすことを意味します。

1.周波数（波長）は同じです。

2.振動の方向は同じです。

3.位相差は一定です。

このようなXNUMXつの光線は、伝送中に互いに安定した干渉を生成する可能性があります。 この干渉は、建設的な干渉（強化）または破壊的な干渉（キャンセル）のいずれかです。 以下に示すように：

建設的な干渉が光波（信号）を強くする可能性があることは明らかです。

コヒーレント光通信とは？

さて、次のポイントに行き、コヒーレント光通信とは何かについて話しましょう。 多くの人は、コヒーレント光通信は伝送通信にコヒーレント光を使用することであると考えるかもしれませんが、実際には正しくありません。 コヒーレント光通信と非コヒーレント光通信は、基本的に光の点で本質的な違いのないレーザーを使用します。

コヒーレント光通信が「コヒーレント光通信」と呼ばれる理由は、伝送プロセスで使用される光に依存するのではなく、送信側でのコヒーレント変調の使用と、検出のための受信側でのコヒーレント技術の使用に依存します。

20つの違いは、伝送パスではなく、両端にあります。 受信側の技術は、コヒーレント光通信全体の中核であり、それが非常に強力である主な理由でもあります。 同じ条件下で、従来の非コヒーレント光通信と比較して、コヒーレント光通信の受信機は、非コヒーレント通信よりも100db〜20倍感度を向上させることができます。 このXNUMXdbの助けを借りて、コヒーレント光通信の通信距離は数千キロメートルのレベルに達することができます（非コヒーレント光はわずか約数十キロメートルです）。

400G QSFP-DD DCO ZR/ZR+ と 400G CFP2 DCO の比較

400G QSFP-DD DCO ZR/ZR+と400G CFP2 DCOはどちらも大容量・長距離データ伝送向けに設計されたコヒーレント光トランシーバですが、フォームファクタ、電力効率、密度、アプリケーション適合性において大きな違いがあります。QSFP-DD（Quad Small Form-factor Pluggable Double Density）は、約18.4mm × 93.4mm × 8.5mmとよりコンパクトなモジュールで、36Uスイッチあたり最大1ポートをサポートし、その約2分の2の密度しか持たない大型のCFP15（C Form-factor Pluggable 7）と比較して高いポート密度を実現します。そのため、QSFP-DDはデータセンターなどのスペースが限られた環境に最適です。消費電力の面では、QSFP-DD DCO ZR/ZR+ は 50nm DSP 技術とシリコン フォトニクスを活用して通常 2W 未満で動作し、サイズが大きく統合が進んでいないために 20W 近くを消費することが多い CFP400 DCO と比較して 80% 以上の電力節約を実現します。 両モジュールは、DP-120QAM 変調とコヒーレント検出を使用して、ZR の場合は 120～480 km、ZR+ の場合は 16 km を超える距離 (増幅により最大 100 km) で 400Gbps の伝送をサポートしますが、QSFP-DD ZR+ には高度な OpenZR+ 仕様が組み込まれており、柔軟なライン レート (2G～400G) と長距離用の強化された前方誤り訂正 (oFEC) が可能になります。一方、CFP400 DCO は通常、固定の 2G レートと OIF 5ZR 標準に制限されます。 QSFP-DDのプラガブル設計は導入と保守を簡素化し、IP-over-DWDMや新興のROADMシステムをサポートします。一方、CFP2は従来の通信アプリケーションには堅牢ですが、形状が大型で消費電力が高いため、汎用性は低くなります。そのため、QSFP-DD DCO ZR/ZR+は最新のデータセンター相互接続（DCI）、メトロネットワーク、XNUMXGバックホールに適しており、CFPXNUMX DCOは、密度や効率よりも互換性を優先するレガシーシステムやシナリオに適しています。

以下は、400G QSFP-DD DCO ZR/ZR+ と 400G CFP2 DCO の主な違いをまとめた比較表です。

機能	400G QSFP-DD DCO ZR/ZR+	400G CFP2 DCO
フォームファクター	QSFP-DD（18.4mm × 93.4mm × 8.5mm、コンパクト）	CFP2（より大きく、より低い密度）
ポート密度	36Uスイッチあたり最大1ポート	9Uスイッチあたり約1ポート（QSFP-DDの1/4）
消費電力	<15W (7nm DSP、シリコンフォトニクス)	約20W以上
伝送速度	400Gbps（ZR/ZR+）、柔軟な100G～400G（ZR+）	固定400Gbps
リーチ	ZR: 80～120 km、ZR+: >120 km (アンプ使用時最大480 km)	ZR: 80～120 km
モジュレーション	DP-16QAM（コヒーレント）	DP-16QAM（コヒーレント）
FEC	oFEC（ZR+）、より長い到達距離のために強化	標準FEC（OIF 400ZR）
規格	OpenZR+（ZR+）、OIF 400ZR（ZR）	OIF400ZR
アプリケーション	DCI、メトロネットワーク、5Gバックホール	通信、レガシーシステム
展開	プラグ可能、IP-over-DWDM、ROADMをサポート	プラグイン可能、汎用性が低い
適合	高密度、電力効率の高い最新ネットワーク	互換性を重視した従来のネットワーク

この表は、密度、効率、柔軟性における QSFP-DD の利点を強調しており、QSFP-DD は最新のアプリケーションにより適していますが、CFP2 は、従来の、または通信に重点を置いた展開には引き続き適しています。

コヒーレント光通信の開発背景

光通信が始まったばかりの1980年代には、米国、英国、日本などの先進国がすでにコヒーレント光通信に関する理論的研究と実験を行い、良好な結果を達成していました。

たとえば、1989 年と 1990 年に、米国の AT&T とベルは、1.7 年にペンシルバニア州のローリング クリーク地上局とサンベリー ハブの間で中継なしで、1.3μm と 1.55μm の波長で 1989Gbps FSK オンサイト コヒーレンス伝送実験を相次いで実施しました。そして1990年、伝送距離は35キロメートルに達しました。

その後、1990年代に、専門家はますます成熟していることを発見しました EDFA （エルビウムドープファイバ増幅器）およびWDM（波長分割多重）技術は、リレー伝送および光通信の容量拡張の問題をより簡単かつ効果的に解決することができます。 その結果、コヒーレント光通信の技術研究は無視されてきました。

2008年頃、モバイルインターネットの普及に伴い、通信ネットワークのデータトラフィックが急増し、バックボーンネットワークへのプレッシャーが急増しました。 現時点では、EDFAの可能性と WDM テクノロジーが小さくなりました。 光通信メーカーは、新しい技術的ブレークスルーを見つけ、光通信の伝送容量を改善し、ユーザーのニーズを満たし、圧力を緩和することを緊急に必要としています。

メーカーは、デジタル信号処理（DSP）、光デバイス製造、およびその他の技術の成熟に伴い、これらの技術に基づくコヒーレント光通信が、長距離高帯域幅光ファイバ通信の技術的ボトルネックを打破するための良い選択であることを発見しました。 その結果、コヒーレントな光通信が舞台裏から舞台の前に移動したことは論理的です。

コヒーレント光通信の技術原理

前述のように、コヒーレント光通信は主に0つの主要な技術、すなわちコヒーレント変調とヘテロダイン検出を利用します。 まず、光送信機側のコヒーレント変調を見てみましょう。 後方IM-DD（強度変調-直接検出）システムでは、強度（振幅）変調のみを使用して、電流を介してレーザー強度を変化させて1とXNUMXを生成することにより、光波を変調できます。

ダイレクト・モジュレーションは非常にシンプルですが、能力が弱く、多くの問題があります。 しかし、コヒーレント光通信システムでは、光の振幅変調に加えて、PSK、QPSK、QAMなどの外部変調を使用して周波数変調や位相変調を行うこともできます。 追加の変調方式は、情報伝達容量を増やすだけでなく (XNUMX つのシンボルでより多くのビットを表すことができます)、柔軟なエンジニアリング アプリケーションにも適しています。

以下は、外部変調の概略図です。

図に示すように、送信側では外部変調方式を採用し、マッハツェンダー変調器（MZM）をベースにしたIQ変調器を使用して高次変調フォーマットを実現し、信号は光キャリア、および送信されます。 

受信側に入るときのキーリンクです。 まず、局部発振器で発生したレーザー信号（局部発振器光）を使用して、光ミキサーで入力信号光と混合し、信号光と同じ規則に従って周波数、位相、振幅が変化する中間周波数信号を取得します。 。

光受信機構造の拡大版

コヒーレント光通信システムでは、コヒーレントミキシング後の出力光電流のサイズは、信号光パワーと局部発振器光パワーの積に比例します。 局部発振器光のパワーは信号光のパワーよりもはるかに高いため、出力光電流が大幅に増加し、検出感度も向上します。

言い換えれば、非コヒーレント光通信は、送信プロセス中に信号を継続的に中継および増幅するために多くの増幅器を使用しますが、コヒーレント光通信の本質は、受信側で直接弱い到着信号を混合および増幅することです。

ミキシング後、バランスレシーバーで検出します。 コヒーレント光通信は、局部発振器の光信号の周波数と信号の光周波数との関係により、ヘテロダイン検出、イントラダイン検出、ホモダイン検出に分けることができます。

コヒーレント光通信の分類

ヘテロダイン検出のコヒーレント光通信では、中間周波数信号は光電検出器によって得られます。 ベースバンド信号に変換する前に、XNUMX 番目の復調も必要です。 ホモダインおよびイントラダイン検波は、ノイズを減らし、後続のデジタル信号処理の電力オーバーヘッドと関連デバイスの要件を削減するため、最も一般的に使用されています。 ホモダイン検出コヒーレント光通信では、光信号は光電検出器を通過した後、二次復調なしで直接ベースバンド信号に変換されます。 ただし、局発光の周波数と信号光の周波数を厳密に一致させる必要があり、局発光と信号光の位相同期が必要である。

次に、非常に重要なデジタル信号処理（DSP）リンクです。

光信号が光ファイバリンクで送信されると、歪みが発生します。 DCPテクノロジは、デジタル信号の扱いやすい特性を利用して、歪みに対抗して補正し、システムのビットエラーレートに対する歪みの影響を軽減します。 それは光通信システムのデジタル時代を生み出し、コヒーレント光通信システムの重要なサポートとなっています。 DSPテクノロジーは、受信機だけでなく送信機にも適用できます。

以下に示すように：

上の図からわかるように、DSPテクノロジは、波長分散補償や偏光モード分散補償（PMD）などのさまざまな信号補償処理を実行します。

モジュール	演算
IQ直交	モジュレーターとミキサーによって引き起こされるIQアンダークワドラチャーを補正します
クロックリカバリ	サンプリングエラーを補正する
分散補償	分散を補償する
偏光等化	偏光に依存する障害、偏光を補正する 逆多重化
頻度推定	送信機と受信機でのキャリア周波数シフトの推定と補償
位相推定	キャリア位相ノイズの推定と補償
決定出力	ソフト/ハード決定、チャネルデコード、ソースデコード、 ビット誤り率の見積もり

DSPの各モジュールの役割

従来のノンコヒーレント光通信では、光路補償デバイスを介して分散補償などの機能を実行していましたが、その補償効果は DSP の補償効果に比べてはるかに劣っていました。 DSP テクノロジーの導入により、システム設計が簡素化され、コストが削減され、元の 分散補償モジュール （DCM）またはシステム内の分散補償ファイバ。これにより、長距離伝送のリンク設計が簡単になります。 DSPの開発に伴い、非線形補償技術やマルチコード変調および復調技術など、より多くのアルゴリズムと機能が継続的に追加されています。

報酬委員会	対応するアルゴリズム
直交不平衡補償	「グラム・シュミット直交過程（GSOP） 楕円補正法（EC）
分散補償	周波数領域分散イコライザー
偏光等化	定数モジュラスアルゴリズム（CMA）
キャリア周波数オフセット推定	「位相差に基づく推定アルゴリズム、 符号または符号位相に基づくFFTアルゴリズム
キャリア位相推定	コンステレーション変換（CT）アルゴリズム、 ブラインドフェーズ検索アルゴリズム（BPS）、 最尤推定（ML）アルゴリズムなど。
非線形補正	Volteraアルゴリズム、 いくつかのニューラルネットワークの非線形補償アルゴリズムなど。
チャネルエラー訂正コーディングアルゴリズム	LDPCエンコーディング、ターボエンコーディングなど。

一般的に使用される補正アルゴリズム

DSP処理後、最終的な電気信号が出力されます。 次に、100Gコヒーレント伝送のケースを通してプロセス全体を確認します。

具体的なプロセスは次のとおりです。

1.デジタル信号処理とデジタルからアナログへの変換後、112Gbps信号ストリームは、光送信機に入った後、「シリアルパラレル」変換を受け、4Gbps信号の28チャネルになります。

2.レーザーによって放出された信号は、偏光ビームスプリッターを介してxとyのXNUMXつの垂直方向に偏光された光信号になります。

3. MZM変調器で構成される高次変調器を介して、QPSK高次変調がxおよびy偏光方向の光信号に対して実行されます。

4.変調された偏光信号は、伝送用の偏光コンバイナを介して光ファイバと結合されます。

5.信号を受信した後、受信側は信号をXとYのXNUMXつの垂直偏波方向に分離します。

6.コヒーレントな検出と受信により、XおよびYの垂直偏波信号は電流/電圧信号になります。

7. ADC変換により、電流および電圧信号は0101…などのデジタルコードストリームに変換されます。

8.デジタル信号処理により、分散、ノイズ、非線形性などの干渉要因を取り除き、112Gbpsの通信番号ストリームを復元して終了です。

コヒーレント光通信を支えるその他の技術:

コヒーレント光通信のパフォーマンスは強力ですが、システムは非常に複雑であり、テクノロジーを実現するのは困難です。

	非コヒーレントなコミュニケーション	コヒーレントコミュニケーション
	コヒーレント局部発振器光を必要としない光伝送システム	を使用した光伝送システム コヒーレント検出用の局部発振器
変調と 復調 テクノロジー	送信機：強度変調 受信機：直接検出	送信機：外部変調 受信機：局部発振器の光コヒーレント検出
光学フォーマット	振幅変調（RZ / NRZ / ODB） 差動位相変調（DQBSK）	位相変調（BPSK / QPSK） 直交振幅変調（QAM）
システム構成	簡単な拡張で 実装と統合が簡単	複雑な 高い技術要件
スペクトル効率	ロー 光キャリアの周波数と位相の情報を利用することはできません。 シングルチャネル帯域幅容量は制限されています	ハイ 光信号の振幅、周波数、位相によって運ばれる情報を検出できます。シングルチャネル帯域幅は高いです。
分散耐性	ロー DCMは分散補償用に構成する必要があります	ハイ DSP技術を使用してファイバー分散を相殺し、非常に長い距離でDCMフリーの分散補償を実現できます。
ROADMアーキテクチャ	複雑な 受信方向は、デマルチプレクサを使用して、対応する波長信号をフィルタリングする必要があります	簡明な コヒーレント受信は、逆多重化バージョンを必要とせずに、多重化信号から特定の波長を選択できます

非コヒーレント光とコヒーレント光

コヒーレント光通信の実用化を実現するためには、以下の技術に頼る必要があります。

• 偏光保存技術

コヒーレント検出では、信号光と局発光の偏光方向が同じである必要があります。 コヒーレントオプティカル コヒーレント受信が提供できる高感度を得るためには、通信、つまり、XNUMXつの電気ベクトルの方向が同じである必要があります。

なぜなら、この場合、局部発振器の光電気ベクトルの方向への信号光電気ベクトルの投影だけが、混合によって生成される中間周波数信号電流に実際に寄与することができるからです。 高感度を確保するためには、光波偏光安定化対策が必要です。 現在、主にXNUMXつの方法があります。

まず、「偏光維持ファイバ」を使用して、透過プロセス中に光波の偏光状態を変化させないようにします。 （通常のシングルモードファイバは、ファイバの機械的振動や温度変化などの要因により、光波の偏光状態が変化します。）

次に、通常のシングルモードファイバを使用しますが、受信側では偏波ダイバーシティテクノロジを使用します。

• 周波数安定化技術

コヒーレント光通信では、半導体レーザーの周波数安定性が非常に重要です。 レーザーの周波数は、動作温度と電流の変化に非常に敏感です。 異なる動作条件でレーザーの周波数がドリフトすると、IF電流に影響を与え、ビットエラーレートが増加します。

• スペクトラム圧縮技術

コヒーレント光通信では、光源のスペクトル幅も重要です。 光波の狭い線幅を確保することによってのみ、受信機の感度に対する半導体レーザーの量子振幅変調および周波数変調ノイズの影響を克服することができます。 また、線幅が狭いほど、位相ドリフトによる位相ノイズが小さくなります。 光源のスペクトル幅に関するコヒーレント光通信の要件を満たすために、通常、スペクトル幅圧縮技術が採用されます。

 コヒーレント光通信の応用

要するに、それは長距離、大容量の情報伝送に適した高度で複雑な光伝送システムです。 光ファイバの長距離伝送では、一般的に80kmスパンごとにEDFA（エルビウムドープファイバ増幅器）が使用されます。

コヒーレント光通信を使用すると、長距離伝送がはるかに簡単になります。 さらに、 コヒーレント光通信既存の光ファイバーとケーブルを直接利用して変換できるため、コストを抑えることができます。

コヒーレント光通信は、既存のバックボーンネットワークWDMシステムをアップグレードするために使用でき、5Gミッドバックホールシナリオでも使用できます。 メトロFTTxファイバーアクセスでさえ、コヒーレント光通信の導入を研究し始めています。 現在、コヒーレント光通信に関する最も熱心な議論は、「データセンター相互接続」（DCI）シナリオに焦点を当てています。

DCIには、長距離コヒーレント光モジュールに対する強い需要があります。 特に今年、国は東部地域から発展途上の西部地域へのより多くのコンピューティングリソースのチャネリングを積極的に推進しており、これはコヒーレント光通信市場に大きな刺激効果をもたらします。

まとめ：

全体として、コヒーレント光通信技術の復活と普及は、光通信の潜在的なパフォーマンスをさらに活用し、制限帯域幅を拡大し、導入コストを削減するのに役立ちます。 現在もコヒーレント光通信技術の研究は継続中です。 複雑なプロセス、大容量、高消費電力の問題 コヒーレント光モジュール 完全には解決されていない。 コヒーレント光通信の主要なリンクには、技術革新の余地がまだたくさんあります。