光リンクモジュールは通信システムで動作します

 

 

光リンク モジュールは、ネットワーク機器からの電気信号を光ファイバー ケーブルを通過する光信号に変換し、受信側で再び電気信号に変換します。通信システムでは、これらのモジュールにより、数メートルから 100 キロメートルを超える距離までの高速データ伝送が可能になり、5G ネットワークからデータセンターの相互接続まであらゆるものをサポートします。{{1}

 

 

コアコンポーネントと信号変換プロセス

 

光リンク モジュールは、双方向通信を促進するために連携して動作する 2 つの主要な機能ユニットで構成されています。送信機セクションには、入ってくる電気信号を変調された光パルスに変換するレーザー ダイオードまたは LED が内蔵されています。最新の通信アプリケーションでは、特定の波長で動作するレーザー ダイオードが主に使用されています。-通常、短距離マルチモード アプリケーションの場合は 850nm、-長距離のシングルモード展開の場合は 1310nm または 1550nm です。-

変換プロセスは、ネットワーク スイッチまたはルーターからの電気信号がモジュールの電気インターフェイスに到着すると始まります。送信機のドライバー回路はレーザー ダイオードを変調し、デジタル データを表す光パルスを生成します。この光信号は、光ファイバー ケーブル中を、真空中の光の速度の約 3 分の 2、{4}}毎秒約 200,000 キロメートルで伝播します。-

受信側では、光検出器 (通常は PIN フォトダイオードまたはアバランシェ フォトダイオード) が入射光パルスを捕捉し、電流に変換します。次に、トランス-インピーダンス アンプがこの信号を昇圧し、下流の回路が処理できる電圧に変換します。 -電気から光へ、そしてその逆への変換サイクル全体で-ナノ秒単位で測定される遅延が発生するため、光リンク モジュールは遅延に敏感な通信アプリケーションに適しています-。

モジュール ハウジングは、機械的サポートと熱管理の両方を提供します。 400G または 800G で動作する高速モジュールでは熱放散が特に重要になり、消費電力が 12-15 ワットを超える可能性があります。-高度なモジュールには、デジタル光モニタリング (DOM) 機能を介した統合された熱モニタリングが組み込まれており、ネットワーク オペレータが温度、光パワー レベル、その他のパフォーマンス メトリクスをリアルタイムで追跡できるようになります。

 

波長分割とマルチチャンネル動作-

 

通信システムは、波長分割多重 (WDM) を利用してファイバー容量を最大化します。 Coarse WDM (CWDM) モジュールは 20nm 間隔のグリッドで動作し、ファイバーあたり 8- チャンネルをサポートします。高密度 WDM (DWDM) は、これを 0.8nm (100 GHz) または 0.4nm (50 GHz) の間隔に狭め、単一のファイバー ストランド上で 40 ～ 96 のチャネルを可能にします。このスペクトル効率は、ファイバーの可用性が制限されているメトロおよび長距離通信ネットワークにとって不可欠であることがわかります。

各波長チャネルは独立して動作し、独自のデータ ストリームを伝送します。 1550.12nm で送信する 100G DWDM モジュールは、同じファイバ上で、それぞれ指定された波長で他の数十のモジュールと共存できます。この並列伝送アーキテクチャは、単一のファイバー ペアで 10 テラビット/秒を超える総容量をサポートしており、-これは数千の同時ユーザーからのトラフィックを処理するのに十分です。

ITU-T G.694.1 標準は、通信システムで使用される DWDM 波長グリッドを定義しています。モジュールは、屋内アプリケーションの場合は -5 度から +70 度、屋外の展開の場合は -40 度から +85 度の動作温度変化の下で、±2.5 GHz 以内の波長安定性を維持する必要があります。統合された熱電冷却器 (TEC) を備えた温度制御されたレーザーは、要求の厳しい環境でもこの精度を維持するのに役立ちます。

 

5G ネットワークのアプリケーション アーキテクチャ

 

5G ネットワーク アーキテクチャでは、光リンク モジュールの 3 つの異なる展開シナリオが作成され、それぞれに特定の技術要件があります。フロントホール接続は、無線ユニット (RU) を分散ユニット (DU) にリンクします。通常、eCPRI プロトコルをサポートする 25G SFP28 モジュールが必要です。これらの接続は、100 マイクロ秒未満の確定的な遅延を要求し、都市部の展開では 10 ～ 20 キロメートルの距離で動作します。

業界の導入データによると、25G モジュールは現在、5G インフラストラクチャにおける光トランシーバの出荷量の約 32% を占めています。 10G から 25G フロントホールへの移行は、5G ネットワークで必要なセル密度のサポートに不可欠な帯域幅倍率 2.5 倍を表します。ネットワーク事業者は、極端な温度と湿度が工業グレードの仕様を必要とする屋外環境にこれらのモジュールを導入します。-

ミッドホールは、DU を集中ユニット (CU) に接続し、複数のセル サイトからのトラフィックを集約します。このセグメントでは、光増幅なしで 40- 80 キロメートルの通信が可能な 100G および 200G コヒーレント モジュールの採用が増えています。コヒーレント検出技術の使用により、直接検出システムと比較してスペクトル効率が向上し、ノイズ耐性が向上します。

バックホールは、CU からコア ネットワークへの最終接続を提供します。コア ネットワークでは、400G QSFP-DD および 800G OSFP モジュールが注目を集めています。市場調査によると、2024 年の第 1 四半期には 400G モジュールの出荷数が 300 万ユニットを超え、その約 15 ～ 20% が通信バックホール アプリケーションに割り当てられています。 400G+ バックホールへの移行により、大都市圏の高密度 5G ネットワークの総帯域幅要件がサポートされます。

 

 

フォームファクターとインターフェース規格

 

光モジュールの物理的なパッケージングは​​、機器ベンダー間の相互運用性を確保する業界標準のマルチソース アグリーメント（MSA）に従っています。{0}スモール フォーム ファクタ プラガブル (SFP) モジュールのサイズは 8.5mm × 13.4mm × 56.5mm で、最大 25Gbps のデータ速度をサポートします。ホットプラグ可能な設計により、ネットワーク オペレータはホスト システムの電源をオフにすることなくモジュールをアップグレードまたは交換できます。これは、キャリア グレードのネットワークの可用性を維持するための重要な機能です。{{10}{11}}

クアッド SFP (QSFP) モジュールは、4 つのチャネルを 1 つのパッケージに詰め込むことにより、ポート密度を 4 倍にします。 QSFP28 は 4×25G 電気レーンで 100G をサポートしますが、QSFP-DD (倍密度) はこれを 2 倍の 8 レーンに増やして 400G 動作を実現します。 OSFP フォームファクタは、QSFP-DD の 18.35mm × 89.4mm と比較して、設置面積が 22.58mm × 107.5mm で、800G モジュールの熱管理が強化されています。

モジュールとホスト間の電気インターフェイスは、Optical Internetworking Forum (OIF) および IEEE によって定義された標準に従います。 Common Electrical Interface (CEI) 仕様は、25G および 50G レーンの信号特性を定義します。最新のモジュールは、前方誤り訂正 (FEC) アルゴリズムを実装しています-通常、リード-ソロモン RS(544,514) または KP4 FEC-を使用して、生の光信号の BER が 10^-4 に達した場合でも、ビット誤り率を 10^-15 以上に改善します。

 

電力バジェットとリンクパフォーマンス

 

光パワー バジェットの計算により、特定のモジュールおよびファイバー タイプの最大伝送距離が決定されます。 10GBASE- LR モジュールは通常、-1 ～ +1 dBm の送信電力と -14.4 dBm の最小受信感度を提供し、15.4 dB の電力バジェットを生み出します。ファイバー減衰 (1310nm で 0.4 dB/km)、コネクタ損失 (それぞれ 0.5 dB)、およびマージン (3 dB) を差し引くと、モジュールは約 25 ～ 28 キロメートルのリンクをサポートします。

長距離アプリケーションでは、より高い送信電力とより優れた受信感度が必要です。-拡張範囲 (ER) モジュールは、-18 dBm 感度で +4 ～ +7 dBm 出力を提供し、到達距離を 40 キロメートルまで延長します。ゼタバイト リーチ (ZR) コヒーレント モジュールは、デジタル信号処理と組み合わせたデュアル偏波直交位相シフト キーイング (DP-QPSK) などの高度な変調形式を採用することで、80- 120 キロメートルのスパンを実現します。

波長分散により、高速直接検出システムの伝送距離が制限されます。{0}{1}{1} 25Gbps では、分散により、標準モジュールはシングルモード ファイバ上で 10-15 キロメートルに制限されます。 Precision OT の Genesee ASIC テクノロジーは、電子分散補償を通じてこの問題に対処し、外部分散補償モジュールなしで 25G リンクを 40+ キロメートルまで延長します。このイノベーションにより、追加の増幅装置が不要になり、5G フロントホール ネットワークの導入コストが削減されます。

 

診断および管理機能

 

最新の光モジュールは、SFF 委員会標準によって定義された共通管理インターフェイス仕様 (CMIS) を実装しています。 CMIS は、モジュール温度、供給電圧、送信/受信電力、アラーム/警告しきい値を読み取るための標準化されたレジスタ インターフェイスを提供します。このテレメトリにより、Software Defined Networking (SDN) コントローラとの統合を通じてプロアクティブなネットワーク管理が可能になります。{2}

-リアルタイムの光パワー監視は、通信運用においてさまざまな目的に役立ちます。受信電力が徐々に低下する場合は、ファイバーの劣化、コネクタの汚れ、またはレーザーの故障が差し迫っていることを示します。突然の変化により、冗長ネットワーク構成における保護の切り替えがトリガーされます。一部の高度なモジュールは自動電力調整をサポートしており、測定された受信レベルに基づいて送信電力を最適化し、消費電力を最小限に抑えます。

モジュールの EEPROM には、部品番号、シリアル番号、日付コード、ベンダー固有の校正パラメータなどの製造データが保存されます。{0}}通信事業者は、この情報を在庫管理、障害分析、コンプライアンス検証に使用します。スモール フォーム ファクター (SFF) 委員会は、メモリ マップ レイアウトとコンプライアンス要件を定義する文書 SFF-8024、SFF-8636 などを通じてこれらの標準を維持しています。

 

新興テクノロジーと将来の方向性

 

シリコンフォトニクスの統合は、光モジュール製造における大きな変化を表しています。標準の CMOS シリコン ウェーハ上に光学コンポーネントを製造することで、メーカーはコストを削減しながら性能を向上させることができます。業界アナリストは、シリコンフォトニクスモジュールが2025年までに800G市場の20～30%を獲得し、2024年後半の約100万ユニットから成長すると予測しています。

同時パッケージ化された光（CPO）は、同じパッケージ内でスイッチ ASIC の横に光ダイを直接実装することで、統合をさらに進めます。{0}このアーキテクチャは、スイッチと光学系の間の電気インターフェイスを取り除くことによって SerDes の電力消費を排除し、遅延を短縮します。初期の CPO のデモでは、スイッチ容量 51.2 Tbps のプラグ可能モジュールと比較して総消費電力が 30 ～ 40% 削減されることが示されました。

リニア プラガブル オプティクス (LPO) は、デジタル信号処理およびクロック リカバリ回路をモジュールから削除し、これらの機能の処理をホスト スイッチに依存します。 LPO モジュールの消費電力は従来のモジュールよりも約 40% 少なく、-800G で約 7-8 ワットであるのに対し、12～14 ワットです。市場での採用は依然として特定のハイパースケール データセンター アプリケーションに限定されていますが、通信事業者はエネルギーに制約のあるセル サイト展開向けに LPO を評価しています。

1.6 テラビット モジュールへの移行は、大手クラウド プロバイダーによるフィールド トライアルとともに 2024 年末に始まりました。これらのモジュールは、8×200G 電気レーンと高度な変調技術を使用して、800G 容量を 2 倍にします。 5G カバレッジの拡大と加入者あたりのトラフィックの増加に伴いアグリゲーションの需要が増加するため、通信バックホール ネットワークは 2026 ～ 2027 年に 1.6T モジュールを採用する可能性があります。

 

信頼性と環境への配慮

 

通信-グレードの光モジュールは、連続動作で 10{7}}20 年間確実に動作する必要があります。平均故障間隔 (MTBF) は通常、40 度で 500,000 時間を超えます。コンポーネントの選択は確立された信頼性に重​​点を置いています。気密封止された TO- 缶パッケージはレーザー ダイオードを湿気や汚染から保護しますが、認定ベンダーは 100 FIT (10 億デバイス時間あたりの故障時間) 未満を実証しています。

環境テストにより、温度、湿度、機械的ストレスの範囲全体での動作が検証されます。屋外 5G 導入向けのモジュールは、-40 度から +85 度、相対湿度最大 85%、結露なしの環境でテストを受けます。 GR-63-CORE に基づく振動テストにより、モジュールが輸送時の衝撃や携帯電話タワーの振動に耐えることが保証されます。塩水噴霧試験により、沿岸施設の耐食性が検証されます。

通信事業者は電力コストの上昇に直面するため、電力効率の考慮がモジュール設計を推進します。それぞれ 1.2 ワットを消費する 24×25G フロントホール モジュールを備えたセル サイトは、サイトごとに年間 250 キロワット時間以上-28.8 ワットを継続的に消費します。{7}}。数千のセルサイトにわたって乗算すると、たとえ小さな効率改善であっても、大幅な運用コストの削減と二酸化炭素排出量のメリットが得られます。

 

ネットワーク事業者向けの導入に関する考慮事項

 

適切な光モジュールを選択するには、技術仕様と動作要件のバランスをとる必要があります。シングルモード モジュールはマルチモードよりもコストが高くなりますが、ファイバー ルートが 10 ～ 20 キロメートルを超えるセル サイトの接続に不可欠な長距離をサポートします。- 5G フロントホールで使用される 25G モジュールの価格は、到達距離と機能に応じて通常 150 ～ 300 ドルですが、バックホール用の 100G コヒーレント モジュールの価格は 800 ～ 2000 ドルです。

モジュールの多様性に応じて、インベントリ管理は複雑になります。大都市圏の通信ネットワークでは、さまざまなアプリケーションにわたって 10{4}}15 の異なるモジュール タイプをデプロイする場合があります。互換性のあるプラットフォームを標準化し、適切なスペア在庫を維持することで、障害発生後の迅速なサービス復旧が保証されます。多くの通信事業者は、OEM 供給を補い、コストを 30 ～ 50% 削減するために、サードパーティ互換モジュール ベンダーとの関係を確立しています。

テストおよび認定手順では、導入前にモジュールの互換性を検証します。光タイムドメイン反射測定法（OTDR）はファイバ プラントの品質を特徴づけ、ビット誤り率テスト（BERT）は負荷時のリンク パフォーマンスを検証します。通信事業者は通常、新しいモジュールを本番環境に導入する前に、フル スループットで 24-48 時間エラーなく運用する必要があります。

 

よくある質問

 

シングルモードとマルチモード光リンク モジュールの違いは何ですか?

シングルモード モジュールは、1310nm または 1550nm の波長で動作する狭いスペクトル幅のレーザーを使用し、9- ミクロンのコア ファイバーを介して伝送します。これらは、2 キロメートルから 100 キロメートル以上の距離をサポートします。マルチモード モジュールは通常、50- ミクロンまたは 62.5- ミクロンのファイバーを介して伝送する 850nm VCSEL を使用し、到達距離は 550 メートルに制限されますが、コストは削減されます。選択はアプリケーションの距離要件によって異なります。-建物間リンクの場合はシングルモード、建物内接続の場合はマルチモードです。

波長分散は高速光伝送にどのような影響を及ぼしますか?{0}

色分散により、異なる波長の光がわずかに異なる速度でファイバー中を伝わり、光パルスが拡散し、符号間干渉が発生します。{0}通信速度が速くなるほど効果は大きくなり、通信距離が長くなるほど効果は大きくなります。 10Gbps では、分散限界は約 80 キロメートルに達します。 25Gbps では、補償なしでは 10 ～ 15 キロメートルに低下します。高度なモジュールには電子分散補償またはチャープ レーザーが組み込まれており、この影響を軽減し、5G フロントホール アプリケーションの実用的な範囲を拡大します。

光リンクモジュールは5Gネットワ​​ークアーキテクチャにおいてどのような役割を果たしますか?

5G ネットワークは、3 つの異なるセグメントにわたって光モジュールを展開します。フロントホール接続では、100 マイクロ秒未満の遅延要件で無線ユニットを分散ユニットにリンクする 10G ～ 25G モジュールを使用します。ミッドホールでは、複数のセル サイトからのトラフィックを集中処理装置に集約する 100G ～ 200G モジュールが採用されています。バックホールは、コア ネットワークに接続する 400G ～ 800G モジュールを利用します。この階層化アーキテクチャは、柔軟なネットワーク トポロジを可能にしながら、5G サービスに必要な帯域幅の増大をサポートします。

異なるベンダーの光モジュールを同じネットワーク内に混在させることはできますか?

はい、モジュールが MSA 規格に準拠し、電気/光学仕様に一致する場合は可能です。マルチソース契約フレームワークにより、ベンダー間での機械的および電気的な互換性が保証されます。{1}ただし、一部の高度な機能（拡張 DOM、ベンダー固有の診断）は相互運用できない可能性があるため、オペレーターはテストを通じて適切な動作を確認する必要があります。-多くのネットワークでは、コストとサポートに関する考慮事項のバランスをとるために、OEM モジュールと互換性のあるサードパーティ モジュールを混合しています。互換性のあるモジュールの価格は、OEM 同等のものより 30～50% 低いことがよくあります。-

通信システムの光リンク モジュールの機能を理解するには、物理​​層の信号変換とネットワーク アーキテクチャのコンテキストの両方を理解する必要があります。これらのモジュールは、電子スイッチング インフラストラクチャと光ファイバー伝送プラントの間の重要なインターフェイスを表し、現代の電気通信に要求される帯域幅の拡張性と到達距離の拡張を可能にします。 5G 導入が拡大し、加入者あたりのトラフィックが増加し続けるにつれて、キャリア ネットワークに必要な信頼性と効率を維持しながらテラビット規模の容量をサポートするために、光モジュール技術は進化し続けます。-

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データソース:

Cignal AI 光学部品レポート (Q1 2024、Q3 2024) - 市場出荷データと予測

Fortune Business Insights 光トランシーバー市場レポート (2024-2032) - 市場規模と CAGR 予測

Lumentum Holdings Inc. OFC 2024 プレスリリース - 200G コンポーネントの技術仕様

Mordor Intelligence 光トランシーバー市場分析 (2025-2030) - アプリケーション セグメントの内訳

先行調査 5G 光トランシーバー市場レポート (2025 ～ 2034 年) - 5G 導入統計

FS Community 5G ネットワーク導入ガイド (2024 年 8 月) - 技術アーキテクチャの詳細

ヘビーリーディング IPoDWDM 業界レポート (2024 年 11 月) - 400ZR/800ZR 相互運用性デモンストレーション

ディープファンダメンタルサブスタック光モジュール市場分析 (2024 年 9 月) - シリコンフォトニクス採用予測

Grand View Research 5G 光トランシーバー レポート (2023-2030) - コスト構造分析

Precision OT 5G-先端技術ブログ (2025 年 1 月) - 分散補償技術