光モジュール機能による信号処理

 

 

光モジュールは、電気{0}}から-光、および光-から-への複数段階の変換を通じて信号処理を行い、データ増幅、タイミング回復、エラー修正を処理します。コアの光モジュール機能は、生の電気信号を、1.6 テラビット/秒に達する速度で光ファイバー ネットワークを通過できるクリーンな光伝送に変換します。

 

 

3 層信号処理アーキテクチャ-

 

主要な光モジュール機能は 3 つの異なる処理層を通じて動作し、それぞれが特定の伝送課題に対処します。物理層は、電気ドメインと光ドメイン間のコア変換を処理します。信号調整層は、増幅と正規化を通じて信号の完全性を維持します。デジタル処理層は、タイミング、エラー訂正、およびより高いデータ レートを可能にする高度な変調方式を管理します。

物理層: 電気-光変換

送信端では、レーザー ダイオード ドライバー (LDD) がデジタル電圧信号を、半導体レーザーを変調する正確な電流信号に変換します。この変換には非常に高い精度が必要です。-わずか 0.1 ミリアンペアの変動で光波形が歪む可能性があります。最新の LDD 回路には、レーザー応答特性を補償するプリエンファシス回路が組み込まれており、基本的な駆動回路と比較して帯域幅を効果的に 20～30% 拡張します。{4}

受信側では、入力される光パワーに比例する電流を生成する光検出器を使用します。 100 Gbps を伝送する 1550nm の波長信号は通常、マイクロアンペア範囲の光電流を生成するため、意味のある処理が行われる前に即時に増幅する必要があります。

信号調整層: 増幅と正規化

トランスインピーダンス アンプ (TIA) は、光電流から電圧信号への重要な第 1 段階変換を実行します。{0} TIA 設計は、光モジュール エンジニアリングの最も困難な側面の 1 つです。アンプは、信号レートを超える帯域幅を維持しながら、十分なゲイン-通常 60-70 dB を提供する必要があります。 100 Gbps 信号では、信号の忠実度を維持するために少なくとも 70 GHz の TIA 帯域幅が必要です。

TIA 増幅に続いて、リミティング アンプ (LA) が光パワー レベルの変化によって生じる信号振幅の変動を正規化します。この正規化がないと、受信信号強度の変動が 10 dB 以上発生すると、下流の処理回路が圧倒されてしまいます。 LA は、これらの変動を、クロックおよびデータ リカバリ回路が確実に処理できる、通常 400-800 ミリボルト ピークツーピーク-の一貫した電圧スイングに圧縮します。

 

デジタル処理層: タイミングとエラー管理

 

クロックおよびデータ回復 (CDR) 回路は、受信データ ストリームからタイミング情報を抽出し、この回復されたクロックに同期したクリーンなデジタル信号を再生成します。この重要な光モジュール機能は、ファイバー伝送中に蓄積されるタイミング ジッターを補正します。-長距離リンクでは 30{3}}50 ピコ秒に達することもあります-。 CDR はデータ レートに一致する周波数で動作するフェーズ ロック ループを採用しており、ループ帯域幅はノイズをフィルタリングしながら正当なタイミング変動を追跡するように慎重に調整されています。

400G 以上で動作する光モジュールには、デジタル信号処理 (DSP) チップが不可欠になっています。これらの専用プロセッサは、ファイバー伝送中に蓄積される線形および非線形歪みを補償する高度なアルゴリズムを実装しています。一般的な 400G DSP チップは、1 秒あたり 10 兆を超える演算を実行し、数百タップのイコライゼーション フィルターを適用して、数キロメートルを超えると信号が回復不能になる波長分散効果を元に戻します。

 

高度な変調とコヒーレント処理

 

テラビット速度への進化により、送信シンボルごとに複数のビットをエンコードする複雑な変調フォーマットが必要になりました。 4 レベルのパルス振幅変調 (PAM4) は、シンボル期間ごとに 2 ビットをエンコードすることでスペクトル効率を 2 倍にします。ただし、この光モジュール機能には根本的な課題があります。信号対雑音比は、従来の 2 レベルの信号と比較して約 4.8 dB 低下します。-。この劣化は高速になるとさらに悪化し、224 Gbps PAM4 伝送では光コンポーネントと電気コンポーネントの両方が物理的限界に達します。

デジタル コヒーレント オプティクス (DCO) は、最新の光モジュールにおける信号処理の最も先進的な形式を表します。 DCO システムは、光信号の振幅情報と位相情報の両方を処理できる DSP チップを直接統合します。この高度な光モジュール機能は、パワー変動のみを検出する強度変調システムとは根本的に異なります。-コヒーレント受信機は、受信信号を局部発振器レーザーと混合し、位相関係の検出を可能にします。このコヒーレント検出により、理論上のシャノン限界に近づくスペクトル効率が解放されます。

800G SR8 モジュールで使用されている Broadcom DSP チップは、このテクノロジーの進化を例示しています。このチップは 7nm プロセス テクノロジーに基づいて構築されており、1 秒あたり 100 ギガサンプルで動作するアナログ - デジタル コンバータ、500 を超えるフィルタ タップを備えたデジタル イコライザー、連続 100 ビットにわたるバースト エラーを訂正できる前方誤り訂正エンジンを統合しています。この処理能力により、標準シングルモード ファイバー上で 800 Gbps の伝送が可能になり、ビット誤り率は 10^-15 未満になります。

 

 

信号障害と補償戦略

 

光ファイバー伝送では複数の信号劣化が発生しますが、処理回路はこれに対処する必要があります。光モジュールの重要な機能には、色分散の補償が含まれます。これにより、異なる波長がわずかに異なる速度で伝搬し、シンボルが時間内に拡散します。 100 Gbps では、補償されていない波長分散は 17 ピコ秒/ナノメートル/キロメートルであり、わずか 3 キロメートルを走行するとシンボル干渉が蓄積されます。 DSP アルゴリズムは、この分散を効果的に逆転させるデジタル フィルターを実装し、光分散補償器なしで 80 キロメートルを超える距離でも信頼性の高い伝送を可能にします。

偏波モード分散には、より複雑な課題が伴います。ファイバーの複屈折により、異なる偏光状態の信号成分が異なる時間に到着します。波長分散の決定論的な動作とは異なり、偏光効果は温度変化やファイバーへの機械的ストレスによりランダムに変動します。適応イコライザーはこれらの変動をリアルタイムで追跡し、マイクロ秒ごとにフィルター係数を更新して信号品質を維持します。-

ファイバの非線形効果は、光パワーが高く、距離が長い場合に顕著になります。自己-位相変調、相互-位相変調、および四波混合-は、信号パターンに応じて送信波形を歪めます。高度な DSP 実装では、これらの非線形効果を数学的にモデル化し、逆転させるデジタル バックプロパゲーション アルゴリズムが採用されています。 -利用可能な処理能力の最大 40% を必要とする-計算集約型ですが、これらのアルゴリズムは、線形補償のみと比較して、送信到達距離を 30～50% 延長します。

 

電力効率と熱管理

 

データレートが増加するにつれて、信号処理の消費電力は重要な設計上の制約になっています。 DSP を備えた 400G 光モジュールは通常 12-15 ワットを消費し、DSP チップはこの合計の 5 ～ 6 ワットを占めるため、電力管理における光モジュールの機能を理解することが不可欠です。 800G では、消費電力が 18 ～ 22 ワットに増加し、単一のスイッチ パネルに数十のモジュールが実装される高密度アプリケーションでは重大な熱的課題が生じます。

業界は、電力最適化に対するいくつかのアプローチで対応してきました。リニア ドライブ プラガブル オプティクス（LPO）により、短距離アプリケーションでは DSP と CDR が完全に不要になり、最大 2 キロメートルの距離での 800G 伝送のモジュール電力が 6{6}8 ワットに削減されます。-ただし、このアプローチではホスト システムのスイッチ ASIC に信号処理の負担がかかり、イコライゼーション機能が組み込まれたより高度な SerDes 回路が必要になります。

高度なプロセス技術は電力削減への新たな道を提供します。 16nm から 7nm 製造への移行により、同等の処理能力で DSP の消費電力が約 40% 削減されました。マーベルの Spica Gen2-T 送信 DSP は、5nm テクノロジーに基づいて構築されており、消費電力が 4 ワット未満でありながら 800 Gbps の処理を​​実現するこのトレンドを実証しています。

 

市場の進化と技術的課題

 

光モジュール DSP チップ市場は 2025 年に約 3 億 6,400 万ドルに達し、2033 年まで年間平均成長率 6.8% が予測されています。これらの数字は、現代のデータ インフラストラクチャにおける光モジュール機能の重要性の増大を反映しています。 400G および 800G モジュールの出荷数は 2024 年に 2,000 万ユニットを超え、2023 年から 4 倍に増加しました。1.6 テラビット モジュールの初期出荷は、主に Nvidia の GB200 AI トレーニング クラスター向けに 2024 年後半に開始され、2025 年の出荷量は 300 ～ 500 万ユニットと予測されています。

このレートの上昇により、現在のテクノロジーを限界まで押し上げる信号処理の課題が生じます。 224 Gbps PAM4 信号-1.6T モジュールに必要なレーンあたりの速度--を処理するには、100 GHz を超える帯域幅を持つ光変調器が必要です。従来のシリコン-ベースの変調器はこれらの周波数では困難であるため、電気-対-帯域幅の 50% 向上を約束する薄膜ニオブ酸リチウムの代替品の検討が急がれています。{10}

半導体業界が十分な DSP 容量を提供できるかどうかが、もう 1 つの制約になります。現在の 1.6T モジュールには、最先端の 5nm プロセス ノード上の DSP チップが必要であり、その需要は 2026 年までに年間 4,000 万ユニットを超えると予測されています。AI アクセラレータ チップが同じ先進的なノードをめぐって競合する中、この量はファウンドリの生産能力に負担を与えます。-供給アナリストらは、定期的な不足により2025年まで光モジュールの生産が制限され、価格プレミアムは通常の水準より15～20％高くなるだろうと予想している。

 

統合トレンドとシリコンフォトニクス

 

より高い集積密度への取り組みにより、シリコンフォトニクスの採用が加速しています。この技術は、標準的な半導体製造プロセスを使用して光学コンポーネントを製造し、レーザー、変調器、光検出器、さらには波長マルチプレクサの単一チップへの統合を可能にします。この統合された光モジュール機能により、個別の実装と比較してコンポーネント数が 60 ～ 70% 削減され、信頼性と電力効率の両方が向上します。

共同パッケージ光学系（CPO）は、究極の統合目標を表します。{0} CPO は、光モジュールをスイッチ ASIC パッケージ上に直接配置し、電力を消費して帯域幅を制限する電気信号パスを排除します。初期の CPO デモでは、400- ワットの熱エンベロープ内で 51.2 テラビットの双方向帯域幅を達成しました。これは、同等の電力バジェットでプラグイン可能なモジュールで達成できる総帯域幅の約 4 倍です。

ただし、CPO は信号処理アーキテクチャに重大な課題をもたらします。緊密な統合により、プラグイン可能な設計の信頼性を確保するモジュール レベルのテストと認定が妨げられます。{1}単一の光チャネルに障害が発生した場合、モジュールを交換するだけでなく、スイッチ ASIC パッケージ全体を交換する必要があります。設計者は、統合の利点と保守性の要件のバランスを取るパーティション戦略を開発しています。

 

光信号処理の今後の展開

 

研究の方向性では、次世代信号処理のいくつかの軌道が示唆されています。{0}機械学習アルゴリズムは、事前に決定されたフィルター構造に依存するのではなく、チャネル特性から最適な補償戦略を学習する適応等化の可能性を示しています。ニューラル ネットワーク-ベースのイコライザーを使用した研究室でのデモンストレーションでは、分散性の高いチャネルで従来の線形イコライザーと比較して Q 値が 15{3}}20% 向上しました。

光信号処理は、-光領域で直接計算操作を実行する-ことで、電子速度制限を完全に回避できます。半導体光アンプの利得飽和に基づくすべての光スイッチングにより、電気変換を行わずに波長変換と信号再生が可能になります。強化された 3 次非線形性を備えたシリコン導波路は、160 Gbps で光 XOR 演算を実行でき、すべての光パケット処理への経路を示唆しています。-

1.6T から 3.2T 以降への移行には、変調アプローチの根本的な変更が必要になる可能性があります。高次の QAM 形式（256-QAM 以降）は、シンボルあたりにより多くのビットをエンコードできますが、信号対雑音比が要求されるため、現実世界のファイバー プラントでは非現実的になります。-確率的コンスタレーション シェーピング-変調フォーマットを瞬間的なチャネル状態に適応させることは、有望なアプローチの 1 つですが、固定変調と比較して DSP の複雑さが 2 ～ 3 倍増加します。

 

よくある質問

 

光モジュールにおける信号処理の主な目的は何ですか?

必須の光モジュール機能は、歪みの補償、タイミング情報の回復、エラーの訂正により、伝送パス全体で信号品質を維持します。これらの処理段階がなければ、光信号はファイバーから数キロメートル以内で回復できないほど劣化し、実際の通信は現代のネットワークで一般的な数十キロメートルまたは数百キロメートルよりもはるかに短い距離に制限されてしまいます。

DSP は従来の CDR 回路とどう違うのですか?

CDR 回路はアナログ領域で動作し、位相ロック ループを使用してクロック タイミングを抽出し、データをリタイミングします。{0} DSP は、高速アナログ デジタル コンバータで信号を変換した後、これらと同じ機能をデジタルで実行します。-デジタル アプローチにより、はるかに洗練された補償アルゴリズム-数百タップのイコライザー、高度な変調サポート、非線形補償-が可能になりますが、消費電力が大幅に高くなります。

信号処理の消費電力が増加しているのはなぜですか?

消費電力は、データ レートと処理の複雑さの両方に応じて変化します。データレートが高くなると、より高速なサンプリングコンバータとより頻繁なフィルタ更新が必要になります。 PAM4 や QAM などの高度な変調形式では、適切な信号品質を維持するために、ビットごとに多くの計算処理が必要になります。 1.6T モジュールは 200G モジュールの 8 倍のデータを処理しますが、アルゴリズムの複雑さの増加により、DSP 電力は約 10 ～ 12 倍増加します。

光モジュールは信号処理なしで動作しますか?

10 Gbps 未満で動作する基本的な低速モジュールは、レーザー ドライバーと基本的な増幅だけで最小限の処理で機能します。{2}ただし、光モジュールの機能は高速化に伴いますます重要になります。 25 Gbps 以上の定格のモジュールには少なくとも CDR が必要で、100 Gbps を超える速度ではイコライゼーションとエラー訂正のための DSP の要求がますます高まります。 800G の LPO アプローチではオンボード処理が不要になりますが、これらの機能はホスト システムに転送されます。

 

重要なポイント

 

光モジュールの信号処理は、物理変換、信号調整、デジタル処理という 3 つの異なる層を通じて動作します。

最新の DSP チップは、ファイバー伝送の障害を補うために 1 秒あたり 10 兆を超える演算を実行します

PAM4 変調により、より高いデータ レートが可能になりますが、4.8 dB の信号対ノイズ ペナルティが発生し、高度な補償が必要になります。--

消費電力は主要な設計制約となっており、400G モジュールの消費電力は 12 ～ 15 ワット、800G モジュールの消費電力は 18 ～ 22 ワットに達します。

シリコン フォトニクスの統合と光学部品の同時パッケージ化は、高密度化と効率向上に向けた重要なトレンドを表しています。{0}

光モジュールDSPチップの市場は年間6.8%で成長しており、2024年には出荷数が2,000万個を超える

 

情報源

 

FiberMall - 光モジュールの内部コンポーネントとは何ですか (https://www.fibermall.com/blog/what-is-inside-an-optical-module.htm)

光ファイバー シェア - 光モジュール テクノロジーの道を探る (https://www.fiberopticshare.com/exploring-the-path-of-optical- module-technology.html)

FS.com - コヒーレント光モジュールの DSP について (https://www.fs.com/blog/ Understanding-dsp-in-coherent-optical-modules-16652.html)

360iResearch - 光モジュール DSP チップの市場規模とシェア 2025-2030 (https://www.360iresearch.com/library/intelligence/optical-module-dsp-chip)

Nature - 光ファイバー通信のための学習可能なデジタル信号処理 (https://www.nature.com/articles/s41377-024-01556-5)

Springer - のシリコン-ベースの再構成可能な AOSP チップの進歩（https://link.springer.com/article/10.1007/s12200-025-00154-6）

基礎的な-のディープダイブ: 光​​学モジュール市場（https://deepfundamental.substack.com/p/deep-ダイブ-光学-モジュール-市場）

Consegic Business Intelligence - デジタル シグナル プロセッサ市場予測 2025-2032 (https://www.consegicbusinessintelligence.com/digital-signal-processor-market)