光モジュールで伝送エラーを削減

 

光モジュール従来の銅線ベースのシステムと比較して伝送エラーを大幅に削減できるため、現代の通信インフラストラクチャに不可欠なコンポーネントとなっています。{0}}これらのモジュールの開発は、Cisco や Lucent Technologies などの企業が 1 Gbit/s を超える速度の銅線相互接続でデータ整合性の問題を経験し始めた 1990 年代後半に本格的に始まりました。

 

 

歴史的発展と誤り訂正

 

第一世代光ファイバーモジュール1998 ～ 2000 年頃に導入された銅線は、同等の距離にある銅線に比べてビット エラーが約 60% 少ないことが示されました。この改善は、数百台のサーバーが近接して動作するデータセンター環境の銅線システムを悩ませていた電磁干渉 (EMI) および無線周波数干渉 (RFI) に対する光ファイバーの耐性によってもたらされました。

初期の実装では比較的単純な実装が使用されていました光変調器ファブリ・ペロー・レーザーの直接変調に基づいた設計。{0}これらのモジュールは約 10^-12 のビット誤り率 (BER) を達成しました。これは当時は優れていると考えられていましたが、現代の要件には不十分でした。 2003 年の分布帰還 (DFB) レーザーの導入により、これが 10^-15 に改善され、長距離伝送がより実用的になりました。

 

SFP ファミリとエラー削減メカニズム

 

スモール フォーム ファクタのプラガブル仕様。これにより広く採用されている-SFP光トランシーバーは、2001 年に公開されたときに大きな進歩を示しました。当初、Finisar、Agilent、AMP を含むコンソーシアムによって開発された SFP 標準は、電気設計の改善により信号整合性の向上を可能にする標準化されたホットプラグ可能なインターフェースを提供しました。-

ギガビットの実装

のギガビットSFPトランシーバーエンタープライズ ネットワーキングにとっては特に重要になりました。 2004 年に独立した研究所によって実施されたテストでは、適切に実装された SFP モジュールが、シングルモード ファイバを使用して最大 10 キロメートルの距離でエラーのない伝送（24 時間のテスト期間にわたってエラーなし）を維持できることが示されました。{{2}これは、100 メートルに制限され、依然としてクロストークによるエラーが発生する銅線ギガビット イーサネットと比較すると革命的でした。

の光ファイバーSFPモジュール設計にはいくつかのエラー削減機能が組み込まれています。-

一貫した出力を維持する温度補償型レーザー ドライバー-

適応イコライゼーションを備えた高度な受信回路

組み込みの診断モニタリング（デジタル診断モニタリングまたは DDM とも呼ばれます）-

より優れたEMIシールドを提供する改善されたハウジング

 

トランシーバー進化と誤り訂正

 

の開発光モジュールトランシーバーいくつかの異なる段階を経てきました。 2007 年頃-2008 年に、メーカーは前方誤り訂正 (FEC) をモジュールに直接埋め込み始めました。これはコストと消費電力が増加するため、当初は物議を醸しましたが、現場での導入では修正不可能なエラーが大幅に減少したことがわかりました。-一部の通信事業者は、FEC 対応モジュールを採用した後、リンク障害が 90% 減少したと報告しました。

興味深い展開の 1 つは、光ファイバー受信モジュールコヒーレント検波は、2010 年頃に商用製品に採用され始めました。従来の直接検波システムとは異なり、コヒーレント受信機は振幅と位相の両方の情報を回復でき、同様のエラー率を維持しながら送信データ量を効果的に 2 倍にできます。{1}最も初期の商用導入は海底ケーブル システムであり、エラー率がわずかに改善されただけでも高価な再生装置の必要性を排除できました。

 

最新の高速実装

 

デジタル光モジュール技術

の出現デジタル光モジュール2015 年頃には、さらに大きな前進が見られました。これらのモジュールには、リアルタイムのエラー分析と適応イコライゼーションを実行できるデジタル シグナル プロセッサ（DSP）が組み込まれています。- Acacia Communications や NeoPhotonics などの企業の初期バージョンでは、DSP{4}} 対応モジュールが、1000 キロメートルを超える距離であっても 10^{9}15 より優れた BER で 100G レートで動作できることが示されましたが、これはアナログのみの設計では不可能でした。

のSFPモジュール光テクノロジーも進化して、より小さなフォームファクターを組み込むようになりました。 2014 年に承認された SFP28 仕様は、より大きなモジュールと同じエラー訂正機能を維持しながら、レーンあたり 25 Gbit/s をサポートしました。これは、いくつかの革新によって達成されました。

レーザーチャープ管理の改善

より優れた波長分散補償

より洗練されたクロックリカバリ回路

主要なクラウド プロバイダーからのフィールド データ (通常は公開されていませんが) によると、2016 年から 2017 年の SFP28 導入では 10 年を超える平均故障間隔 (MTBF) が達成され、故障原因としての送信エラーが発生したケースは 2% 未満でした。

400G以上

の400g光モジュールエラー削減における現在の-最先端--を表します。 2019 年頃に商業展開が開始されたこれらのモジュールは、通常、それぞれ 50G で 8 レーン、または 100G で 4 レーンのいずれかを使用します。 PAM-4 変調 (従来の NRZ ではなく) への移行では、PAM-4 では信号レベル間のマージンが少ないため、当初は誤り率に関する懸念が生じました。ただし、DSP テクノロジーの進歩と、より強力な FEC コード (特に RS(544,514) FEC) の実装により、実際には、NRZ システムと比較してエラー性能が同等かそれ以上になりました。

Inphi Corporation (現在は Marvell の一部) は、2020 年に自社の 400G モジュールが約 10^-15 よりも優れた事後 FEC BER になるように修正された、-pre{2}}FEC BER-}5 を達成したことを示すデータを公開しました。-これは、実用上、適切に設計されたシステムでは伝送エラーがほとんど存在しなくなったことを意味します。

 

 

インフラストラクチャに関する考慮事項

 

モジュール式光学システム設計

の概念モジュール式光学システム特にハイパースケール データセンターで注目を集めています。 Microsoft や Facebook (Meta) などの企業は、モジュール設計により光路のさまざまな部分を個別に最適化する方法を説明したホワイト ペーパーを発行しています。たとえば、データセンターでは、ラック内接続（絶対的なパフォーマンスよりコストが重要な場合）には短距離マルチモード モジュールを使用し、ラック間接続または建物間接続（パフォーマンスが最も重要な場合）にはシングルモード モジュールを使用する場合があります。{{3}

このモジュール式のアプローチは、各接続タイプを特定の使用例に合わせて最適化できるため、システム全体のエラー率を削減するのに役立ちます。ワシントン州クインシーにある Microsoft のデータセンターでは、2018 年に完全モジュール型の光インフラストラクチャに移行した後、リンク エラーが 40% 減少したと報告されています。

パッチパネルの実装

モジュール式光ファイバーパッチパネルもエラーの削減に貢献していますが、その影響は見落とされがちです。 Corning による 2012 年の調査によると、これまで光リンク エラーの 15 ～ 20% は、パッチ パネルでの物理接続の不良が原因でした。改良されたコネクタ設計 (特に LC および MPO/MTP コネクタ) を備えた最新のモジュラー パッチ パネルでは、この問題が大幅に減少しました。

2005 年頃のプッシュ{0}}プル タブ LC コネクタの導入は特に重要でした。-これらのコネクタは、データセンター環境の振動により時間の経過とともに緩む可能性がある以前のラッチ ベースの設計と比較して、より安定した挿入損失と反射損失を実現しました。{3}}

 

技術仕様と規格

 

さまざまな標準化団体が、エラー削減に直接取り組む仕様を確立しています。たとえば、IEEE 802.3 ワーキング グループは、さまざまなイーサネット速度に対する最大 BER 要件を指定しています。 100GBASE- SR4 (一般的なマルチモード実装) の場合、規格では FEC デコーダの出力で BER が 10^-12 以下であることが要求されており、これは通常動作中にエラーがゼロであることを意味します。

Optical Internetworking Forum (OIF) は、エラーを最小限に抑えるインターフェイスの定義に特に積極的に取り組んでいます。 CEI-28G および CEI-56G の実装契約では、ジッター、クロストーク、リターンロスを含む詳細な電気的特性が規定されており、これらはすべて適切に制御されていない場合にエラー率に影響します。

標準では最低限のパフォーマンスが指定されていますが、商用モジュールはこれらの要件を超える場合が多いことに注意してください。主要メーカー (Finisar、Lumentum、II- VI) のモジュールを対象とした 2019 年の調査では、一般的な商用モジュールは、必要な最小光学バジェットよりも 2 ～ 3 dB 優れて動作し、エラーに対して大幅なマージンを提供していることがわかりました。

 

実際の導入経験

 

実際の導入では、光学モジュールは理論上優れたエラー削減効果をもたらしますが、適切な設置とメンテナンスが引き続き重要であることがわかっています。{0}北米の大手電気通信プロバイダーを対象とした 2017 年の調査では、光リンク エラーの約 80% が最終的に次の原因で発生したことが判明しました。

汚れたコネクタ (31%)

繊維の損傷 (23%)

間違ったモジュールの取り付け (14%)

互換性のないモジュール/ファイバーの組み合わせ (12%)

これは、光モジュール自体がエラー削減方程式の一部にすぎないことを強調しています。同じ調査では、厳格なクリーニング プロトコルと技術者トレーニング プログラムを実装した後、モジュールを変更することなくネットワークのエラー率が 67% 低下したことがわかりました。

 

今後の展開

 

エラー率をさらに低くする研究が続けられています。チャネル特性に合わせて信号分布を最適化する確率的コンスタレーション整形は、実験室テストで有望であることが示されています。 2021 年に Nokia Bell Labs が発表した結果では、この技術を使用して BER が 1 ～ 2 dB 改善されたことが実証されており、これにより伝送の信頼性がさらに向上します。

予知保全のための機械学習アルゴリズムの統合にも可能性が示されています。これらのシステムは、FEC 前のエラー率のパターンと最新のモジュールから入手可能な診断データを分析することで、数時間または数日前に差し迫った障害を予測でき、サービスに影響するエラーが発生する前に事前に交換できるようになります。{2}