光モジュールは伝送装置内で動作します

 

伝送機器の光モジュールは、光ファイバーケーブルを介したデータ伝送のために電気信号を光信号に変換し、受信側で電気信号に戻します。これらのホットプラグ対応トランシーバーは、TOSA および ROSA と呼ばれる特殊な内部コンポーネントを通じて双方向通信を処理します。-

 

 

光モジュールのコアアーキテクチャ

 

ハードウェア レベルでは、光モジュールには連携して動作する 3 つの主要なサブシステムが含まれています。送信光サブアセンブリ (TOSA) には、バイナリ データに対応する変調された光パルスを生成するレーザー ダイオードが収容されています。受信機光サブアセンブリ (ROSA) には、入力光信号を電流に変換する光検出器が含まれています。これらのアセンブリの間には、信号処理、タイミング、自動電源制御を管理する PCBA 回路基板が配置されています。

TOSA 内のレーザー ダイオードは、しきい値原理に基づいて動作します。{0}}順方向電流が特定のしきい値（Ith）を超えた場合にのみ発光します。最新のモジュールでは、古いファブリ-ペロー型ではなく分布帰還型レーザー ダイオード (DFB-LD) が使用されています。これは、DFB レーザーが生成する波長スペクトルが狭く、通常、アップストリーム伝送では 1310nm、ダウンストリーム伝送では 1490nm を中心とするためです。自動パワー制御回路は、フォトダイオードを介して出力を監視し、駆動電流を調整して、通常は dBm で測定される一貫した光パワー レベルを維持します。

受信側では、ROSA はトランスインピーダンス アンプ (TIA) と組み合わせた 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 (APD) を使用します。 PIN ダイオードは低電圧で動作し、コストも低いため、短距離用途に適しています。- APD 受信機は、光子あたりにより多くの電子を生成し、より高い感度定格を達成します-。許容可能なビット誤り率を維持するために必要な最小光パワーです。 TIA は微弱な光電流を直ちに電圧信号に変換し、後続の増幅段でネットワーク機器に渡す前に再整形および等化します。

 

信号変換機構

 

光電変換プロセスはナノ秒で行われます。ネットワーク機器が電気データをモジュールに送信すると、PCBA のドライバー チップが信号を処理し、モジュールの仕様に応じて 1.25 Gbps ～ 800 Gbps の速度でレーザー ダイオードを変調します。レーザーは電圧変動を急速なオンオフ光パルスに変換します-従来の NRZ エンコードでは、高い信号レベルはバイナリの 1 を表し、低い信号レベルは 0 を表します。-

これらの光パルスは、ガラスコアの屈折特性により最小限の減衰で光ファイバーケーブルを通過します。 1550nm の波長で動作するシングルモード ファイバの損失は 1 キロメートルあたり約 0.2 dB と最も低く、信号は増幅せずに 40～80 km 伝送できます。 850nm 波長のマルチモード ファイバは、より広いコアにより最終的にモード分散を引き起こす複数の光路を可能にするため、短距離 (通常は 100 ～ 300 メートル) でより高い帯域幅をサポートします。

目的地では、ROSA の光検出器が光子を捕捉し、受け取った光パワーに比例して電子を放出します。 -18dBm のような負の dBm 値として表される感度仕様は、受信機がどの程度弱い信号をデコードできるかを示します。感度が向上すると、伝送距離が長くなります。光電流変換後、判定回路が電圧レベルをしきい値と比較してクリーンなデジタル信号を再生成し、送信中に蓄積されたノイズを補償します。

 

波長分割多重化

 

最新の光モジュールは、複数のデータ チャネルが異なる光周波数で共存する波長分割多重 (WDM) を通じてファイバ容量を増大させます。 Coarse WDM (CWDM) モジュールは、1270-1610nm スペクトル全体で 20nm 間隔でチャネルを配置し、ファイバーごとに 8 ～ 18 の波長をサポートします。高密度 WDM (DWDM) モジュールは、C バンド (1530 ～ 1565nm) 内でチャネルをわずか 0.4 ～ 0.8nm 間隔でパックし、1 本のストランドで 40 ～ 96 チャネルを実現します。

BiDi (双方向) モジュールは、WDM 原理の洗練されたアプリケーションを表します。送信機能と受信機能に異なる波長を使用することにより、-一般的に 1310nm/1550nm または 1270nm/1330nm のペア-BiDi モジュールは、2 本のファイバーではなく 1 本のファイバーで全二重通信を実現します。-内部 WDM フィルタは波長を分離します。45- 度の二色性フィルタは、送信波長をファイバに向けて反射し、受信波長を光検出器に渡します。この BOSA (双方向光サブ- アセンブリ) 設計は、光ファイバー インフラストラクチャのコストを半分に削減し、特に家庭内への光ファイバーの導入に有益です。

送信側の光マルチプレクサは、薄膜フィルタまたはアレイ導波路回折格子を使用して複数の波長チャネルを結合します。{0}受信側では、デマルチプレクサがコンポジット信号を個別の波長に分割し、それぞれを個別の光検出器に送ります。このアーキテクチャでは、追加のファイバーの実行を必要とせずに帯域幅を拡張します。-100G QSFP28 モジュールは実際に、4 本の別々のファイバーまたは 1 本のファイバー上の 4 つの波長で 4 つの 25G チャネルを並列に送信します。

 

 

フォームファクターとインターフェース規格

 

物理的なパッケージングによって、モジュールが伝送装置にどのように接続されるかが決まります。スモール フォーム ファクタ プラガブル (SFP) 規格は、複数のソース契約を通じて開発されており、サイズは約 13 mm × 8.5 mm で、100 Mbps から 10 Gbps までの速度をサポートしています。- SFP28 モジュールは同じ寸法を使用しますが、改良された電子機器と光学機器により 25 Gbps を処理します。これらのモジュールは、LC ファイバー コネクタを備えたフロント パネル ケージに接続され、ホスト機器の電源を落とさずにホットスワップが可能です。-

高速化を実現するため、QSFP（Quad Small Form-factor Pluggable）パッケージでは、わずかに大きな設置面積で 4 つの独立したチャネルが提供されます。{0} QSFP+ は 4×10G レーンを使用して 40G を処理しますが、QSFP28 は 4×25G レーンを使用して 100G を実現します。 QSFP-DD (Double Density) 規格は電気レーンを 2 倍の 8 に増やし、8×50G PAM4 シグナリングで 400G をサポートします。各世代は同じソケット内での下位互換性を維持しますが、速度は低下します。

CFP（Centum フォームファクタ プラガブル）モジュールは、データセンターではなく長距離通信をターゲットとしています。{0}{1}オリジナルの CFP は 10×10G 電気レーンを使用して 100G をサポートしていましたが、後の CFP2 および CFP4 バリアントではパッケージがそれぞれ半分と 4 分の 1 サイズに縮小されました。 OSFP (オクタル スモール フォーム ファクター プラガブル) は、特にシリコン フォトニクスの実装において、QSFP-DD が提供するよりも大きな電力ヘッドルームを必要とする 400G-800G アプリケーション向けに登場しました。

モジュールとホストボード間の電気インターフェイスは、単純な NRZ シグナリングから複雑なプロトコルに進化しました。 Common Electrical Interface (CEI) 仕様では、電圧スイング、インピーダンス、ジッター耐性などの電気パラメータを定義します。最新の 400G モジュールは PAM4 (4- レベルのパルス振幅変調) エンコーディングを使用しており、各シンボルは 1 ビットではなく 2 ビットを伝送し、ボーレートを増加させることなくスループットを 2 倍にします。電気接続では通常、ホスト スイッチの ASIC 機能に合わせた 25 Gbps または 50 Gbps の高速シリアル レーンが使用されます。

 

伝送装置の統合

 

光モジュールは、伝送ネットワーク内の複数の場所に存在します。データセンターのトップオブラック スイッチでは、25G SFP28 モジュールがサーバーをスイッチ ファブリックに接続し、コンピューティング ノード間の East West トラフィックを処理します。-スパイン層では、100G QSFP28 または 400G QSFP-DD モジュールがアップリンクを集約します。 2 ～ 80km にわたるデータセンター相互接続の場合、400ZR のようなコヒーレント プラガブル モジュールは、高度な変調方式とデジタル信号処理を使用して、ファイバー容量を最大化します。

通信機器は、アクセス、メトロ、長距離セグメント全体に光モジュールを導入します。{0} 5G フロントホール ネットワークでは、25G CWDM モジュールがリモート無線ユニットを分散ユニット プールに接続し、多くの場合、拡張温度定格 (-40 度から +85 度) の過酷な屋外環境で動作します。メトロ ネットワークは DWDM モジュールを使用して柔軟な光メッシュを作成し、再構成可能なアド{9}}マルチプレクサ（ROADM）がトラフィック需要に基づいて波長を動的にルーティングします。長距離システムでは、高出力コヒーレント モジュールと 80～100 km ごとに配置された光アンプを組み合わせて、ファイバー損失を克服します。

物理的な設置では、光パワーのバジェットに細心の注意を払う必要があります。各接続ポイント-ファイバー スプライス、パッチ パネル、コネクタ-では、通常 0.3-0.5 dB の挿入損失が発生します。リンク バジェットの計算では、送信電力からすべての損失が差し引かれ、受信電力が適切なマージン (通常は 3-5 dB) だけ感度を超えていることが確認されます。受信機の過負荷仕様（飽和前の最大光パワー）を超えるとビット エラーが発生する可能性があるため、強力な送信機を備えた短いリンクでは可変光減衰器が必要になる場合があります。

 

高度な変調技術

 

波長あたり 100G を超えるために、光モジュールは高度な変調フォーマットを採用しました。従来のオン-キーイング (OOK) は、データを軽い有無としてエンコードします。差動位相シフトキーイング（DPSK）は光位相で情報をエンコードし、干渉検出が必要ですが、感度は 3 dB 優れています。直交位相-シフト キーイング (QPSK) は 4 つの位相状態を使用して、シンボルごとに 2 ビットを伝送します。

コヒーレント検出は、光場の振幅と位相の両方を検出することにより、長距離伝送に革命をもたらしました。{0}局部発振器レーザーが受信信号と混合し、平衡光検出器が同相成分と直交成分を抽出します。-。次に、デジタル信号プロセッサは等化アルゴリズムを適用して、数百キロメートルにわたって蓄積された波長分散と偏波モード分散を補償します。最新の 400G コヒーレント モジュールは 16QAM または 64QAM 変調を使用し、二重偏波状態全体でシンボルあたり 4 ～ 6 ビットをパッキングします。

2024 年には 800G および 1.6 Tbps モジュールに飛躍し、2025 年には複数の進歩が組み合わされます。シリコンフォトニクスの統合では、レーザー、変調器、検出器を単一チップ上に製造することで部品数を削減します。リニア プラガブル オプティクス (LPO) により、電力を大量に消費する DSP リタイマーが短距離モジュールから取り除かれ、{6}{10}消費電力が 15 W から 6 W に削減されます。 Co-Packaged Optics (CPO) は、光エンジンをスイッチ ASIC の上に直接配置し、SerDes の電気的なボトルネックを排除します。生産に入る最初の 1.6T モジュールは、106 Gbps PAM4 電気信号を備えた 8×200G レーンを使用します。

 

性能仕様とテスト

 

モジュールのデータシートには、いくつかの重要なパラメータが指定されています。 dBm または mW で測定される出力光パワーは、送信強度を示します。-通常の値の範囲は、到達要件に応じて -10dBm から +4dBm です。消光比は、バイナリ 1 状態と 0 状態の間の光パワーの差を比較します。 8.5 dB を超える比率では、明確な信号の区別が保証されます。受信機感度は、指定されたビット誤り率（通常はビットあたり 1×10⁻¹² 誤り）に対する最小入力電力を定義します。

WDM システムでは、チャネルが中心周波数の ±0.1nm 以内に位置合わせする必要があるため、動作波長の精度が重要になります。波長分散許容値-ps/nm で測定-は、エラーが発生する前にモジュールがどの程度の波長に依存する遅延変動を処理できるかを示します-。マルチモード モジュールは、最小有効モード帯域幅要件を MHz·km 単位で指定し、ファイバ タイプ（OM3、OM4、OM5）に基づいて最大伝送距離を制限します。

温度の安定性はレーザーの波長と出力に影響します。商用-グレードのモジュールは0度から+70度で動作しますが、工業用モジュールは-40度から+85度で動作します。熱電冷却器は制御された波長モジュール内のレーザー温度を維持し、1-3W を消費しますが、波長ドリフトは 0.01nm/度未満に抑えられます。デジタル診断モニタリング（DDM）は、I2C インターフェース経由で温度、電圧、バイアス電流、送信電力、受信電力などのリアルタイムのテレメトリを提供し、予知保全を可能にします。{14}}

 

市場動向と今後の方向性

 

光トランシーバー市場は 2024 年に 136 億ドルに達し、主に AI データセンターの増強により、2029 年までに 250 億ドルに達すると予測されています。 2024 年には 2,000 万個を超える 400G および 800G モジュールが出荷され、ハイパースケーラーが GPU インターコネクトにこれらの光学系を採用するため、800G の出荷量は 2025 年に 60% 急増すると予想されます。 AI トレーニング クラスタには前例のない帯域幅密度が要求されるため、400 Gbps を超えるセグメントは 16.3% CAGR で成長します。

2024 年の光モジュール収益の 61% をデータセンターが占め、2030 年まで CAGR 14.9% で拡大します。100G から 400G リンクへの移行は 2023 ～ 2024 年に加速し、Google、Amazon、Microsoft で 800G の導入が本格的に始まりました。最初の 1.6 Tbps モジュールは 2024 年末にフィールド トライアルに入り、初期価格は約 2,000 ドルで、H2 2025 での商業リリースを目指していますが、生産規模が拡大するにつれて約 1,500 ドルに下がります。

シリコン フォトニクス モジュールは、H2 2024 の 800G 市場の約 10% を獲得し、その普及率は 2025 年までに 20{6}}30% になると予測されています。この技術は、従来のモジュールに必要な EML および VCSEL コンポーネントのレーザー供給の制約に対処します。共同パッケージ化された光学素子は引き続き開発中であり、Nvidia は 2026 年までの初期量産を目指して CPO ソリューションで協力しています。長距離伝送の課題は依然として残っていますが、電力に制約のある導入向けにリニア プラグ可能光学素子が 2024 年に注目を集めました。-

5G の展開により、極端な温度条件に直面する屋外キャビネットに 25G SFP28 CWDM トランシーバが配備され、通信光モジュールの需要が促進されます。フロントホール光学系の収益は 2025 年に約 6 億 3,000 万ドルに達し、1,000 万台の 50G PAM4 ミッドホール デバイスが出荷されました。通信事業者は、厳しい遅延契約を満たす 10G から 100G の産業グレードのモジュールを使用して、ポイント{10}}}から-}バックホールから x{12}} メッシュ アーキテクチャに移行します。-

 

よくある質問

 

シングルモード光モジュールとマルチモード光モジュールの違いは何ですか?{0}}

シングルモード モジュールは、9μm コア ファイバ上で 1310nm または 1550nm の波長で動作し、2km から 80km 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、50μm または 62.5μm のコア ファイバで 850nm の波長を使用しますが、帯域幅に応じて 100-550 メートルに制限されます。シングル-モードでは到達距離は長くなりますが、コストが高くなります。マルチモードでは、ラック内接続などの短距離のコストが低くなります。

異なる速度のモジュールを同じスイッチ ポートで動作させることはできますか?

高速モジュール用に設計されたポートは、多くの場合、パフォーマンスが低下して低速のバリアントを受け入れます。- 25G SFP28 ポートは通常、10G SFP+ モジュールを 10G 速度で実行でき、SFP+ ポートは 1G SFP モジュールを受け入れます。ただし、その逆は機能しません-25G モジュールを 10G 専用ポートに接続することはできません-。ファイバーリンクの両端は、速度と波長の仕様に一致する必要があります。

なぜ光モジュールには異なる波長があるのでしょうか?

波長の選択により、距離、コスト、およびファイバー特性のバランスがとれます。 850nm の波長は、短いマルチモード リンク用のコスト効率の高い VCSEL レーザーでうまく機能します。- 1310nm の波長は、都市圏の距離のシングルモード ファイバで最小限の分散を実現します。- 1550nm の波長はファイバー内で最も低い減衰点に達し、長距離伝送が可能になります。- WDM システムは、正確な波長間隔を使用して、1 本のファイバー上に多くのチャネルを多重化します。

温度は光モジュールの性能にどのような影響を与えますか?

積極的な冷却を行わない場合、レーザー波長は 10 度の温度変化ごとに約 0.1nm 変化します。出力電力は動作温度範囲全体で 3-5% 変化します。受信機の感度は、極端な温度ではわずかに低下します。商用モジュールは 0-70 度の動作を指定します。産業用モジュールは、熱電冷却器とより広い許容範囲のコンポーネントを使用して、-40 度から +85 度まで拡張します。デジタル診断はリアルタイムの温度を追跡し、故障が発生する前に予測します。

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重要なポイント

光モジュールは、レーザーダイオードを使用したTOSA送信機と光検出器を使用したROSA受信機を通じて光電変換を実行します。

CWDM または DWDM テクノロジーを介して複数の波長が 1 本のファイバーを共有でき、BiDi モジュールにより 1 本のストランドでの双方向通信が可能になります。

SFP から QSFP までのフォーム ファクタ-DD は 1G から 800G までの速度をサポートし、2025 年に 1.6T モジュールが量産開始されます

前例のない規模で 400G および 800G モジュールを導入する AI データセンターによって市場は 2024 年に 136 億ドルに達する

シリコン フォトニクスと共同パッケージ化された光学素子は次の進化を表し、電力効率と集積密度を向上させます。{0}

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データソース

Cignal AI 光学コンポーネント レポート - 2025 年 1 月 (cignal.ai)

Mordor Intelligence 光トランシーバー市場レポート - 2025 年 6 月 (mordorintelligence.com)

コグニティブ マーケット リサーチの光学モジュール調査 - 2024 年 9 月 (cognitivemarketresearch.com)

Yole Group のデータコム用光トランシーバー レポート - 2024 年 5 月 (yolegroup.com)

IEEE 802.3 光学コンポーネントの更新 - 2024 年 10 月 (ieee802.org)