近距離光通信とは？

短距離光通信はちょっとした驚きかもしれません。 光通信の最も直接的な応用分野は、超高速・超大容量・超長距離の光通信です。 光通信は当初、長距離の高速電気通信サービス伝送を解決するために使用され、その後、クライアント側の高速インターフェイスを提供するためにデータセンター ネットワークに徐々に導入されました。

ショートの進化 距離光通信

今日に至るまで、光通信が短距離伝送に浸透していることはすでに明らかです。 たとえば、業界は最近、モジュール内およびチップ間の光相互接続の問題を解決するためにコパッケージ光技術を使用しており、単一のスイッチング チップの容量は 25.6 Tb/s にもなります。 図1に示すように、さまざまな伝送距離での光通信の典型的なアプリケーションシナリオと、より短い距離への浸透がリストされています。

図 1. 光通信アプリケーションの進化

光通信のアプリケーションがますます多く、短距離に移行しているのは偶然ではありません。 シスコはこの傾向を数年前に予測し、確認しました。 メトロポリタン ネットワーク トラフィックは、2017 年にはすでに長距離バックボーン ネットワークを上回っており、コンテンツ配信ネットワーク (CDN) の台頭とクラウド関連サービスの成長により、データ センター ネットワーク関連のトラフィックは現在、インターネット IP トラフィックに匹敵します。

図 70 に示すように、来年までに、データセンター内のトラフィックの割合は 85% を超え、東西方向のトラフィックの割合は 2% 近くになり、南北方向のトラフィックをはるかに上回ると予想されています。

図 2. 2021 年のシスコ予測データセンター トラフィック分布

したがって、将来のネットワークはデータセンターによって支配されると言わざるを得ず、短距離光伝送が強調されなければなりません。 それだけでなく、ネットワーク アーキテクチャの変化に伴い、多くのコンテンツがユーザーに近づき、より低遅延のサービスを提供するようになっています。 したがって、短距離アプリケーションが多いほど、帯域幅に対する需要が強くなります。

現在の長距離バックボーンは 200G にアップグレードされたばかりですが、短距離データセンターの需要は長い間 400G に達しており、800G インターフェイス レートにアップグレードされるものもあります。 今年、イーサネット アライアンスは 800G イーサネット仕様をリリースしました。 明らかに、データセンター、スーパーコンピューティングクラスター、およびその他の相互接続されたネットワークに代表される短距離アプリケーションは、通信市場以外の光通信の新たな成長ポイントになり、その重要性は自明です。

ショートの定義 距離光通信

近距離光通信とは？ 多くの異なる答えがあります。

IEEE は短距離 (SR) を約 100m と定義し、OIF は短距離を 300m と定義しています。 しかし、学界は、短距離光通信の範囲を約 100km まで拡張しました。 近距離光通信とは何かを明確に定義する明確な数値はないようですが、次回の導入で100m～100km区間内のすべての光通信を近距離光通信と定義する価値があります。 つまり、図1の赤丸で囲んだ部分、もちろん近距離光通信と呼ばれる方が適切です。 100m以内の光通信の場合、システム内、ボード間、またはボード上の相互接続を指す短距離光相互接続と呼ばれるべきです。

図 3. シナリオと主要テクノロジーの詳細な内訳 範囲光通信

図 3 に示すように、近距離光通信はさらに細分化され、近距離から遠距離までの伝送距離に応じて、SR、DR、FR、LR、ER、ZR などのシナリオが含まれます。

近距離光通信の規格

これらのさまざまな距離のアプリケーションに対して、業界は現在、 100G 表400に示すように、1Gクライアント側光相互接続規格。

表 1. 100G/400G 関連のクライアント側標準

次のことがわかります。

100mの場合、主に850nm VCSEL光源アレイを使用したマルチモード伝送技術です。

500mから2kmの場合、シングルモード伝送技術が一般的に使用され、光源はより多様で、1310nm DML、SiP、さらにはEMLです。

10km から 40km の場合、1310/1550nm EML または MZM が必要です。 1310 には、分散が低いという利点がありますが、損失が大きく、この距離では成熟した低コストの O バンド光増幅器がありません。 1550 を使用する利点は、ファイバの損失が少ないことです。成熟した光増幅器がありますが、分散への影響は大きくなります。

データセンター通信に加えて、10km 光通信の重要な用途として、5G フロントホール構築が本格化しています。 表 2 は、中国における代表的な技術ソリューションと対応する標準をまとめたものです。

5G フロントホールは主に O バンド波長分割多重化を使用し、DML 直接変調を使用して 25Gb/s NRZ 信号を生成し、受信側で PIN 検出を使用します。主な問題は、コストを削減し、長い波長の分散コストを制御することです。 DWDM ベースの技術は、拡張の可能性と電力バジェットが大きいものの、5G フォワード伝送でスケーリングするのは難しいと予想されますが、調整可能な EML + TEC コストは他のプログラムよりも大幅に高くなります。

表 2. 一般的な 5G フロントホール ソリューションの技術比較

もちろん、20kmの光通信には、一般に光アクセスネットワークとして知られている通信業界内の重要なアプリケーションもあり、パッシブ光ネットワーク（PON）としても知られています。 この分野は完全に国際標準化された技術であり、現在のPONはAPON、BPON、G/EPON、10G EPON、XGSPONなどを経ています。商用利用可能な最高速度は対称10Gb/sです。 しかし、数年前に完成した NGPON40 とも呼ばれる 2GTWDM-PON など、標準化が最前線で行われています。 25 年に特定された 2018G EPON、さらには現在 ITU-T と IEEE の両方で議論されている単波の 50G PON です。 この分野の主な問題はコストと電力バジェットの問題であり、要するに低コストで高速かつ高感度の変調受信ソリューションが不足しているということです。 さらに、80km ZR アプリケーションについては、OIF は 400Gbaud 60QAM 変調と 16G または 100GHz チャネル間隔を備えた 75ZR 実装プロトコルをすでにリリースしており、IEEE も IEEE P100 ct/cw で 400GE/802.3GBASE ZR 規格について議論しています。 OIF 400ZR と最大限の互換性があります。 明らかに100Gだけでなく 400GZR 80kmレベルの光伝送業界は、100G/400Gのコヒーレント検出技術を導入する必要性に概ね同意した。

近距離光通信の変調・多重化技術

現在の業界標準と市場ソリューションに関しては、現在、業界で短距離で広く採用されている変調形式は 25 つしかありません。 4 つは 25Gb/s NRZ で、主に 100x4G 50G インターフェイスで使用されます。 もう 100 つは、8Gb/s および 50Gb/s の単波レートの PAM4 変調で、100x400G または 1x100G 100G インターフェイス、および XNUMXxXNUMXG 単波 XNUMXG 顧客側インターフェイスを実現するために使用できます。 将来のために 800G 短距離相互接続、8x100G PAM4 ソリューション、場合によっては 4x200G PAM4 ソリューションが存在する可能性があります。

短距離コヒーレント光伝送の場合、現在標準化されているスキームのいずれも、確率的シェーピング PCS や LDPC などの超強力な前方誤り訂正符号化に類似した技術を定義していません。 MSA、OIF、ITU-T、OpenROADM、IEEE、CableLabs など、すでに規格が存在するコヒーレント システムの中で、比較的単純な変調方式である (D)QPSK、8QAM、16QAM のみが CableLabs によって定義されています。 FEC に関しては、初期の 100G MSA は 6.7% のオーバーヘッドと NCG=9.8dB の階段型 HD FEC を定義し、後の OIF 400 ZR で定義された C-FEC は 14.8% のオーバーヘッドと 10.8QAM の NCG=16dB で定義され、O- 15.1% のオーバーヘッドで OpenROADM で定義された FEC。 デコードを 16 回繰り返した後、11.6QAM の NCG は XNUMXdB に達することがあります。

多重方式に関しては、現在標準化されている100G/400G短距離光インターコネクトでは、XNUMX種類の多重方式がよく使用されています。 XNUMX つは空間分割多重化、複数のシングルモード/マルチモード ファイバー MPO コネクタで、マルチチャネル バインディングを実現します。 XNUMX つ目は波長分割多重化で、複数の波長が同じシングルモードまたはマルチモード ファイバで伝送されます。

表 3 は、100G インターフェイス レートに使用される多重化技術の分類をまとめたものです。 空気分割多重システムで使用されるシリコン光技術は、コスト面で優れていることに注意してください。これは、複数のパスに分割してからシリコン光変調器アレイに分割するために必要な波長パワーが XNUMX つだけであるためです。 サイズを制御できるだけでなく、レーザーのコストも削減できます。 ただし、電力バジェットは、短距離光相互接続アプリケーションにおけるシリコン光技術の主な障害になると予想されます。

表 3. 100G インターフェイスで使用される多重化技術の比較

上記のコンテンツは、業界の成熟したアプリケーションで使用される技術の紹介に焦点を当てた、短距離光通信のトレンド、距離境界、標準の進歩、業界で一般的に使用される変調および多重化技術の進化に対するファイバーモールの主な紹介です。

ファイバーモールはまた、高度な変調技術、新しい検出技術、DSP アルゴリズム、800G/1.6T 技術の進化比較などについて、学界の観点から説明します。