ファイバーモジュールは光学システムで動作します

 

 

ファイバー モジュールは、光システムの双方向コンバータとして機能し、ネットワーク機器からの電気信号を送信用の光信号に変換し、受信側でそのプロセスを逆にします。この光電変換は、2 つのコア サブアセンブリを通じて行われます。レーザー ダイオードを含む送信光学サブアセンブリ (TOSA) と、光検出器を含む受信光学サブアセンブリ (ROSA)- です。

 

 

光電変換のアーキテクチャ

 

ファイバーモジュール内の変換プロセスは、同時に動作する個別の送信経路と受信経路を通じて実行されます。このアーキテクチャを理解すると、なぜこれらのコンパクトなデバイスが現代のデータ伝送においてかけがえのないものになったのかがわかります。

伝送経路: 電気から光へ

電気信号がモジュールに入ると、TOSA に伝わり、そこでドライバー チップが受信データ ストリームを処理します。ドライバはレーザー ダイオード-、通常はシングルモード アプリケーションの場合は分布帰還型レーザー (DFB LD)-、マルチモードの場合は垂直-面発光レーザー (VCSEL)-を変調し、バイナリ データに対応する光パルスを放射します。統合された自動電源制御 (APC) 回路は、フォトダイオードを介して出力電力を継続的に監視し、温度変化やコンポーネントの経年劣化に対して一貫した信号強度を維持します。

レーザー波長の選択は、伝送要件によって異なります。短距離のデータセンター リンクでは、通常、マルチモード ファイバーで 850nm の波長が使用され、最大 500 メートルの伝送を実現します。より長いスパンの場合、シングルモード システムは、最大 10 キロメートルの距離には 1310nm、80 キロメートルを超える超-長距離-リンクには 1550nm を採用します。この場合、ファイバーの減衰は 1 キロメートルあたり約 0.2 dB で最小になります。

受信パス: 光から電気へ

受信側では、受信した光子が ROSA の光検出器に当たります。{0}標準アプリケーションの場合は PIN フォトダイオード、より高い感度が必要なリンクの場合はアバランシェ フォトダイオード (APD) のいずれかになります。光検出器は、光強度の変化を微弱な電流の変動に変換します。トランス-インピーダンス アンプ (TIA) はこの電流信号を電圧に即座に増幅し、後続のポスト アンプがアナログ信号をステージングして、ホスト機器が認識できるデジタル レベルに変換します。

ROSA 構成では、APD を使用すると、PIN フォトダイオードと比較して受信感度を 6 ～ 10 dB 向上させることができます。これは、距離の経過とともに信号劣化が蓄積する長距離アプリケーションでは重要になります。-この感度の利点により、ネットワーク設計者はリンク バジェットを拡張したり、必要な送信電力を削減したりすることができます。

 

システム動作における信号品質パラメータ

 

ファイバー モジュールは単に信号を通過させるだけではなく、{0}システム全体のパフォーマンスを決定するいくつかの測定可能なパラメータを通じて伝送品質を積極的に管理します。

消光比と信号の明瞭度

消光比は、すべての「1」ビットの送信とすべての「0」ビットの送信の間の光パワー比を測定し、通常、高品質モジュールの場合は 8.2dB ～ 10dB の範囲になります。比率が高いほど、信号の区別がより明確になっていることを示し、ビット誤り率に直接影響します。 80+ チャネルを伝送する高密度波長分割多重 (DWDM) システムでは、1 つのモジュールであっても消光比が低いと、隣接する波長に影響を与えるクロストークが発生する可能性があります。

電力バジェットとリンク損失

すべてのファイバー モジュールは送信電力と受信感度を指定し、これらが合わせてリンク損失バジェットを定義します。 -24dBm の受信感度で -3dBm を送信するモジュールは、21dB の利用可能な損失を提供します。これは、その特定のリンクのファイバ減衰、コネクタ損失、およびスプライスにとって十分です。 2025 年に 366 億 9,000 万ドルと評価される光ファイバー コンポーネント市場は、高価な再生を行わずに到達距離を延長する高出力モジュールの需要が主な原動力となり、年間 9.8% で成長しています。

送信電力と非線形効果との関係により、最適化の課題が生じます。ファイバーに過剰な電力を投入すると、ブリルアン散乱と四波混合が刺激され、信号品質を低下させるノイズが発生します。-モジュール設計者は、距離要件を満たすのに十分な出力電力と、非線形ペナルティを回避するのに十分な低い出力電力のバランスをとる必要があります。

デジタル診断モニタリング

最新のファイバー モジュールにはデジタル診断モニタリング（DDM）が組み込まれており、送信電力、受信電力、レーザー バイアス電流、供給電圧、温度などのリアルタイム パラメータが公開されます。{0}ネットワーク オペレータは、このテレメトリを予知メンテナンスに利用します。-レーザー バイアス電流の段階的な増加は、リンク停止が発生する前に障害が差し迫っていることを示します。 DDM テクノロジーは SFF-8472 マルチソース プロトコル標準に準拠しており、ベンダー間の相互運用性を保証します。

 

変調フォーマットとデータエンコーディング

 

モジュールがデータを光にエンコードする方法は、達成可能なデータ レートと伝送距離に基本的に影響します。

非-リターン-トゥ-制限

従来の NRZ 変調は、バイナリ データを 2 つの光パワー レベルに直接マッピングします。-「1」は高、「0」は低です。この単純なアプローチは 100 ギガビット イーサネットの世代を通じてうまく機能しましたが、高速になると物理的な制約に直面します。主な制限は、信号の異なる波長成分がわずかに異なる速度でファイバーを通過する波長分散に起因します。 100G NRZ レートでは、補償されていない分散限界は標準のシングルモード ファイバで約 2 キロメートルに達します。-

PAM4の実装

PAM4 変調は、光パワーをバイナリ ペア 00、01、10、および 11 を表す 4 つのしきい値レベルに分割し、シンボルあたり 2 ビットを効果的に送信します。これにより、同じボーレートでの NRZ と比較して伝送効率が 2 倍になります。現在データセンターに出荷されている 400G モジュールは主に PAM4 を使用しており、コンポーネントの帯域幅制限を超える 100G ボーの NRZ を必要とするのではなく、レーンあたり 50G ボーが可能です。-。

このトレードオフは、信号対雑音比の要件に現れます。{0}{1} PAM4 の各レベルはバイナリ NRZ よりも厳密な識別を必要とするため、受信がノイズの影響を受けやすくなります。モジュールは前方誤り訂正 (FEC) を通じて補償し、エラーからの回復を可能にする冗長ビットを追加します。 400G システムに一般的に導入されている KP4 FEC は、-FEC 前で約 2.4×10-4 のビット誤り率を、FEC 後 10-¹5 まで訂正できます。{12}}。

 

フォームファクターとシステム統合

 

物理的なパッケージングは​​、ファイバー モジュールをネットワーク アーキテクチャに統合する方法に大きな影響を与え、密度、消費電力、熱管理に影響を与えます。

高密度化への進化

GBIC から SFP、SFP+、QSFP28、そして現在の QSFP-DD への進化は、継続的な小型化を反映しています。 QSFP-DD モジュールは、以前の 40G QSFP+ モジュールと同じ前面プレートの設置面積で 400 ギガビットのデータレートを実現し、レーンあたり 50Gbps の 8 レーン電気インターフェイスを通じて実現します。この密度の向上により、前世代では 100GbE の 32 ポートが最大であったところ、1U スイッチで 400GbE の 32 ポートをサポートできるようになりました。

モジュールとホスト間の電気インターフェースも並行して進化しました。初期の光モジュールはアナログ NRZ インターフェイスを使用しており、モジュールは入力アナログ信号でレーザーを直接駆動していました。最新の設計では、Common Electrical Interface (CEI) 規格で指定されたリタイミングされたデジタル インターフェイスが採用されており、モジュールの内部 DSP が信号の整合性とタイミング リカバリを処理します。このパーティションにより、モジュールが高度なイコライゼーション技術を実装できるようにしながら、ホストの複雑さが軽減されます。

熱設計の考慮事項

消費電力はデータレートにほぼ直線的に比例します。{0}400G モジュールは約 14 ワットを消費します。これは、100G モジュールの 3.5 ワットの 4 倍です。 32×400G モジュールを備えた高密度のスイッチでは、450 ワットの光モジュールの熱を管理するには、慎重なエアフロー設計が必要です。パッケージングは​​光ファイバーコンポーネントの製造コストの 60 ～ 80% を占め、そのコストの多くは熱管理構造から発生しています。

一部の次世代設計では、モジュールをフロント パネルの取り付けからオンボードの配置に移動し、電気配線の長さを短縮し、信号の整合性を向上させています。- Coalition for OnBoard Optics (COBO) はこれらのアーキテクチャを標準化していますが、スイッチ ASIC の中にモジュールが配置されると、同様にかなりの熱が発生し、熱の問題はさらに深刻になります。

 

 

波長分割多重の統合

 

信号ごとに 1 本のファイバーを専用にするのではなく、波長分割多重化により、複数のモジュールが異なる波長で動作することでファイバー インフラストラクチャを共有できるようになります。

CWDM と DWDM の違い

Coarse Wavelength Division Multiplexing（CWDM）は、1270-1610nm の範囲にわたってチャネルを 20nm 間隔で配置し、ファイバーごとに最大 18 個の波長をサポートします。広い間隔により、レーザー波長の安定性とフィルタ精度の要件が緩和され、モジュールのコストが低くなります。-大都市ネットワークでは通常、外部マルチプレクサを介して複数の波長を組み合わせた CWDM モジュールを導入しています。これは、色分散が管理可能な 80 キロメートル未満のポイントツーポイント リンクに特に適しています。-

高密度波長分割多重 (DWDM) は、C- 帯域 (1530-1565nm) または L- 帯域 (1565-1625nm) 内で 0.4nm、0.8nm、または 1.6nm 間隔でチャネルをパックし、ファイバーごとに 80+ チャネルを有効にします。 DWDM モジュールには、±0.05nm 以内の波長精度を維持する温度制御されたレーザーが必要であり、同等の CWDM モジュールよりも多くの電力を消費します。長距離通信事業者は DWDM を広範囲に使用しており、ファイバー数の制限によりモジュールの追加コストが発生する価値があります。光システムは、単一ファイバ 400 Gbit/s に 80 波長を乗算し、より大容量を目指して進化しています。

BiDi モジュールの動作

双方向（BiDi）モジュールは、方向ごとに異なる波長を使用して 1 本のファイバーで送受信します。{0}通常、一方の端では 1310 nm 送信 / 1550 nm 受信、もう一方の端では 1550 nm 送信 / 1310 nm 受信です。各モジュール内に統合された波長分割マルチプレクサが方向を分離します。 BiDi は、ファイバー インフラストラクチャの要件を半分にします。-ファイバーに制約のある建物のライザーや、ファイバーの追加に費用がかかる改修工事に特に価値があります。

 

システム-レベルのパフォーマンス要素

 

モジュール仕様は、複数のコンポーネントが相互作用してエンドツーエンドのパフォーマンスを決定する、より大規模なシステム コンテキスト内に存在します。{0}}-

繊維植物に関する考慮事項

光パワーメータを使用した挿入損失テストは、問題が発生した場合の最初のトラブルシューティング手順として、設置後に実行する必要があります。計算された損失バジェットでは、ファイバーの減衰 (マルチモードの場合は約 3 dB/km、シングルモードの場合は 0.5 dB/km)、コネクタの損失 (通常はそれぞれ 0.3 ～ 0.75 dB)、および接続損失 (存在する場合) を考慮する必要があります。予算を超えると、最初は断続的なエラーが発生し、モジュール コンポーネントが古くなり出力電力が低下するにつれて、完全なリンク障害に進行します。

コネクタの端面に{0}ゴミ、傷、穴などの汚れがあると、-挿入損失と反射率が高くなります。肉眼では微視的に見える単一の塵粒子が、シングルモード ファイバーの 9- コアのかなりの割合をブロックする可能性があります。ネットワーク オペレータは、コネクタを 200 倍または 400 倍の倍率で検査し、嵌合サイクルの前に承認された方法を使用して清掃する必要があります。

互換性の検証

モジュールの互換性は、単純なフォーム ファクターの一致を超えています。データ レート、プロトコル、波長、およびファイバー タイプはすべて、リンク パートナー間で一致している必要があります。データ速度、プロトコル、またはコネクタが一致しないと、通信の問題が発生したり、ハードウェアが損傷したりする可能性があります。 850nm マルチモード ファイバー用に設計された 10GBASE- SR モジュールは、SFP+ フォーム ファクタが物理的にポートに適合する場合でも、1310nm シングルモード ファイバーとのリンクを確立しません。-。

主要なネットワーキング ベンダーは、各プラットフォームおよびソフトウェア バージョンの承認済みモジュールをリストした互換性マトリックスを維持しています。サードパーティのモジュール メーカーは、ホスト機器がモジュールを適切に認識して初期化できるように、ベンダー固有の値を使用して-プログラミング識別 EEPROM- をコーディングすることで、この問題に対処しています。

環境動作範囲

過度の動作温度、電圧スパイク、または静電気放電は、レーザー ダイオードまたは光検出器の早期故障を引き起こす可能性があります。商業用-グレードのモジュールは通常、0 度から 70 度の動作を指定しますが、拡張グレードおよび産業用グレードは、屋外キャビネットの展開のために -40 度から 85 度の動作を処理します。仕様限界に近いモジュールを動作させると劣化が加速します。68 度で継続的に動作するモジュールは、45 度で動作するモジュールよりも寿命が短くなります。

電源の品質は非常に重要です。クリーンで安定した電圧により、内部レギュレーターやレーザードライバーへのストレスが防止されます。電源のリップルやノイズによりレーザー出力が変調され、送信信号にジッターが効果的に追加される可能性があります。

 

ネットワーク層全体への展開

 

さまざまなネットワーク セグメントには、それぞれの特定の要件に合わせて最適化された個別のモジュール特性が必要です。

データセンターの相互接続

データセンターは、サーバー、スイッチ、ストレージデバイス間の接続を確立するためにファイバーモジュールに依存しています。 -データセンター内環境では、短距離-マルチモード モジュール-が好まれます。通常は 850nm VCSEL を使用し、OM3 または OM4 ファイバー経由で最大 100 メートルの距離まで送信する 100G SR4 または 400G SR8 です。これらのモジュールは、長距離機能よりも低消費電力とコストを優先します。-

キャンパスまたはメトロの距離にまたがるデータセンター間リンクでは、シングルモード モジュールが使用されます。- 100G CWDM4 モジュールは、二重シングルモード ファイバを介して 4 つの 25G 波長を 2 キロメートルまで送信します。一方、DWDM 波長を使用する 100G LR4 モジュールは 10 キロメートルに到達します。ハイパースケール事業者は、トラフィックの増加に伴い、これらの接続に 400G DR4 および FR4 モジュールを導入することが増えています。

5Gモバイルネットワーク

5G ベアラー ネットワークは、リモート無線ユニットをベースバンド処理に接続するフロントホールで 25G SFP28 モジュールを使用し、ミッドホールとバックホールでは 25G ～ 400G モジュールを使用します。{3}}フロントホール セグメントには、特に厳しいレイテンシ要件があります。-Common Public Radio Interface (CPRI) 標準では、マルチポイント送信の協調送信に対してマイクロ秒未満のタイミング精度が義務付けられています。-

フロントホールの導入では、簡素化のためにグレーの光学系（非 WDM 単一波長モジュール）が優先されますが、一部の通信事業者はファイバー数を減らすために WDM{1}} PON アーキテクチャを導入しています。 GSMA によると、世界の 5G 普及率は 2023 年の 18% に対して 2030 年までに 56% 以上に達すると予想されており、この拡大によりアクセス ネットワークの高密度化におけるファイバー モジュールの需要が大幅に高まります。

ストレージエリアネットワーク

SAN ストレージ ネットワークはファイバー チャネル プロトコルをサポートするモジュールを使用しますが、NAS ネットワークはイーサネット-準拠のモジュールを使用します。ファイバー チャネル モジュールは、ストレージ トラフィックに必要な特殊な低遅延特性を備え、16G、32G、および新たに登場する 64G の速度で動作します。-ファイバー チャネル プロトコルのロスレス特性により、非常に低いビット エラー レートが要求されます-通常 10⁻¹⁵ 以上-で、モジュールのパフォーマンスに厳しい要件が課されます。

最新の NVMe over Fabric の導入では、ストレージとデータ ネットワークを統合するために、イーサネット ベースのモジュール、特に 25G および 100G のモジュールの使用が増えています。{0}この統合によりインフラストラクチャの複雑さは軽減されますが、ストレージ トラフィックが適切なサービス品質の処理を受けられるようにするため、慎重なネットワーク設計が必要になります。--

 

新興テクノロジーと将来の進化

 

ファイバーモジュール業界は、帯域幅の拡大と新しいアプリケーション要件によって急速な革新を続けています。

800G以上

生成 AI の需要により 800G および 1.6T モジュールの必要性が高まり、いくつかのベンダーが 800G 製品をリリースしていますが、2025 年までに大規模導入が予想されています。これらのモジュールは 8 レーンの 100 Gbps PAM4 (800G) または 8 レーンの 200 Gbps PAM4 (1.6T) を実装し、コンポーネントの帯域幅を物理的な限界まで押し上げます。 1.6T モジュールの電気インターフェイスの消費電力は 25 ～ 30 ワットに達し、一部の設計では液体冷却を含む新しい熱ソリューションが必要になります。

-光コンポーネントの同時パッケージ化は、光コンポーネントをスイッチ シリコン パッケージに直接統合する、今後の可能性のある 1 つのパスを表しています。これにより、スイッチ ASIC とモジュール間の電気インターフェイスが不要になり、消費電力と遅延の両方が削減されます。ただし、-パッケージングを併用すると、モジュールの交換可能性と引き換えにパフォーマンスが向上します。-光学素子に欠陥がある場合は、スイッチ ASIC パッケージ全体を交換する必要があります。

シリコンフォトニクスの統合

シリコン フォトニクスは、標準の CMOS 製造プロセスを使用して光学コンポーネントを製造し、複数の機能を単一チップに統合できるようにします。市販のシリコン フォトニクス モジュールは現在、100G および 400G アプリケーションで利用可能であり、製造コストと集積密度の面で利点があります。シリコン フォトニクスの進歩により、光学コンポーネントの組み立て精度が向上し、大量生産の生産性が向上します。-

このテクノロジーは、特定の用途において課題に直面しています。シリコンの間接バンドギャップにより効率的な発光が妨げられ、III-V レーザー ダイのハイブリッド統合が必要になります。シリコンの熱光学係数は温度変化に応じて波長を大幅にシフトさせるため、熱管理も重要になります。DWDM アプリケーションではアクティブな温度制御が必要です。

 

実践的なトラブルシューティング方法論

 

ファイバーリンクが故障した場合、体系的なトラブルシューティングによりモジュールの問題をファイバープラントまたは機器の問題から分離します。

電力と接続の検証

最初のトラブルシューティングでは、モジュールのアラーム情報と DDM パラメータをチェックして、送信および受信の光パワー レベルを評価する必要があります。受信電力が感度のしきい値に近づいた場合、問題はモジュールの障害ではなく過剰なリンク損失に起因している可能性があります。逆に、送信パワーが仕様を下回る場合は、モジュールのレーザーが劣化しているか故障しています。

物理的検査により、一般的な問題が見つかります。モジュールがポートに完全に装着されていることを確認します。-モジュールが部分的に挿入されている場合は、電気的に接触する可能性がありますが、適切な冷却空気の流れが得られない可能性があります。ファイバーのタイプがモジュールの仕様と一致していることを確認してください。マルチモード SFP をシングルモード ファイバーに接続したり、その逆を接続したりすると、信号が失われます。小さなループを曲げて、ファイバーに損傷がないか確認してください。-亀裂が発生すると、オレンジ色の光る点として見える光漏れが発生します。

ループバックテスト

ループバック テストでは、直接接続銅線ケーブルまたは 2 つのモジュールを備えたファイバー ジャンパーを介してホスト ポートを接続し、ホスト ポートが正しく機能するかどうかを評価します。ループバックがリンクを確立した場合、ホスト ポートは正しく動作し、問題はファイバー プラントまたはリモート機器にあります。ループバックの失敗は、ホスト ポートまたはモジュールの問題を示します。

ファイバ ループバック テストの場合は、ファイバ ジャンパを介して 1 つのモジュールの送信ポートをそのモジュールの受信ポートに接続し、リンクが起動するかどうかを観察します。これにより、単一モジュール内の電気-から-光-から-への完全な変換パスがテストされます。

高度な診断

光タイムドメイン反射計（OTDR）は、損失および反射率イベントの正確な位置を示す包括的なリンク トレースを提供します。これは、視覚的な障害検出器が侵入できない長いリンクに不可欠です。 OTDR は、短い光パルスを送信し、後方散乱光を分析して、ファイバー スパン全体の距離と損失のプロファイルを構築します。--

特定のトラフィック パターン中に発生する断続的な問題については、負荷がかかっている DDM パラメータを監視します。一部のモジュールでは、最大トラフィックが継続すると熱ロールバックが発生し、過熱を防ぐために出力電力が一時的に低下します。このようなケースは、より優れた熱設計を備えたモジュールにアップグレードすることで解決されます。

 

重要なポイント

 

ファイバモジュールは、統合された TOSA トランスミッタと ROSA レシーバを通じて双方向光電変換を実行し、その性能は消光比、送信電力、受信感度などのパラメータによって決まります。

最新のモジュールは 400G 以上のレートで PAM4 変調を採用しており、従来の NRZ エンコーディングと比較してスペクトル効率が 2 倍になる一方で、より高度な信号処理とエラー訂正が必要になります。

システム統合はモジュールを超えて、ファイバー プラントの損失バジェット、コネクタの清浄度、波長のマッチング、環境条件を網羅します。{0}これらはすべてリンクの信頼性に大きく影響します

データセンターの相互接続から 5G フロントホール、ストレージ ネットワークに至るネットワーク アプリケーションには、さまざまなモジュール特性が求められ、さまざまな導入要件を反映して 2030 年までに 586 億 5,000 万ドルの市場が見込まれる

 

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よくある質問

 

設置前にファイバーモジュールの互換性を確認するにはどうすればよいですか?

データ速度、波長、ファイバーの種類（シングルモードまたはマルチモード）、コネクタの種類、伝送距離がすべてファイバー インフラストラクチャとポートの仕様の両方に一致していることを確認してください。-機器ベンダーの互換性マトリックスを参照してください。このマトリックスには、各プラットフォームおよびソフトウェア バージョンの承認済みモジュールがリストされています。サードパーティ モジュールの場合は、特定の機器ベンダー向けの適切なコーディングが含まれていることを確認してください。{3}}

動作中のファイバーモジュールのパフォーマンスが徐々に低下する原因は何ですか?

進行性のレーザー劣化は、通常、出力パワーを維持するためのバイアス電流の増加として現れ、これは DDM モニタリングを通じて確認できます。時間の経過とともに蓄積されたコネクタの汚れも性能を低下させます。-最初は動作していたモジュールでも、端面に埃が溜まると問題が発生する可能性があります。温度サイクルにより、内部コンポーネント、特に光結合経路のはんだ接合部に機械的ストレスが発生する可能性があります。 DDM パラメータを毎月監視して、リンク障害が発生する前に劣化を検出します。

同じネットワーク セグメント内に異なる速度のファイバー モジュールを混在させることはできますか?

物理的には可能ですが、混合速度については慎重な考慮が必要です。アップリンク ポートはアクセス ポートよりも高速で動作するのが標準的な方法です。ただし、一致しない速度を直接接続すると-10G モジュールを 1G モジュールに接続するなど-、リンクは確立されません。自動ネゴシエーションは、100M/1G/10G 銅線などの電気インターフェースでは機能しますが、物理設計によって決定される固定データ レートで動作する光モジュールには適用されません。{7}}

一部のファイバー リンクは最初は機能するのに、温度が変化すると機能しなくなるのはなぜですか?

温度は、ファイバーモジュールとプラントの複数のパラメーターに影響を与えます。レーザー波長は摂氏 1 度あたり約 0.1nm 変化するため、DWDM チャネル ドリフトが発生する可能性があります。モジュールの出力電力は高温では低下し、マージナル リンクでは受信機の感度しきい値を下回る可能性があります。ファイバー コネクタの膨張率はバルクヘッドの材質とは異なるため、損失を増加させるマイクロベンドが発生します。-環境内の極端な温度に対応できるように、十分な電力マージンを持ってリンクを設計してください。