現代人の多くにとって「ネットワーク」は「必需品」となっています。
このような便利なネットワーク時代が到来するのに、欠かせないものと言えるのが「光ファイバー通信技術」です。
1966 年にイギリスの中国のソルガムが光ファイバーの概念を提案し、これが世界中で光ファイバー通信開発の頂点に火を付けました。1978 年に 0.8 μm で動作する第 1 世代の光波システムが正式に商業利用され、第 2 世代の光波システムが実用化されました。初期のマルチモードファイバーを使用した通信システムは、1980 年代初頭に急速に導入されました。1990 年までに、2.4 Gb/s および 1.55 μm で動作する第 3 世代光波システムが商用通信サービスを提供できるようになりました。
「光通信のためのファイバーにおける光の伝送」に画期的な貢献をした「ファイバーの父」ソルガムは、2009 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
光ファイバー通信は現在、現代の通信の主要な柱の 1 つとなり、現代の電気通信ネットワークにおいて極めて重要な役割を果たしています。また、世界の新たな技術革命の重要な象徴であり、将来の情報社会における主要な情報伝達手段としても注目されています。
近年、ビッグデータ、クラウドコンピューティング、5G、モノのインターネット、人工知能などのアプリケーション市場が急速に発展しています。到来する無人アプリケーション市場は、データ トラフィックに爆発的な成長をもたらします。データセンターの相互接続は、徐々に光通信の研究へと発展してきました。ホットスポット。
Google の大規模データセンター内
現在のデータ センターは、もはや 1 つまたはいくつかのコンピューター ルームではなく、一連のデータ センター クラスターです。さまざまなインターネット サービスやアプリケーション市場の通常の作業を実現するには、データ センターが連携する必要があります。データセンター間の大規模な情報のやり取りにより、データセンター相互接続ネットワークの需要が生じており、光ファイバー通信は相互接続を実現するために必要な手段となっています。
従来の通信アクセス ネットワークの伝送装置とは異なり、データセンターの相互接続では、より多くの情報とより高密度の伝送を実現する必要があり、そのためにスイッチング装置の高速化、低消費電力、小型化が求められます。これらの機能が実現できるかどうかを決定する重要な要素の 1 つは、実現したのが光トランシーバモジュールです。
光トランシーバモジュールに関する基礎知識
情報ネットワークは主に伝送媒体として光ファイバーを使用しますが、現在の計算や解析は電気信号にも基づく必要があり、光送受信モジュールは光電変換を実現する中核デバイスです。
光モジュールのコアコンポーネントは、トランスミッター（発光サブモジュール）/レシーバー（光受信サブモジュール）またはトランシーバー（光トランシーバーモジュール）、電気チップであり、レンズ、スプリッター、コンバイナーなどの受動コンポーネントも含まれます。周辺回路構成。
送信側：Transmitterで電気信号が光信号に変換され、光アダプタで光ファイバに入力されます。受信側：光ファイバ内の光信号が光アダプタを介してReceiverで受信されます。そして電気信号に変換され、処理のためにコンピューティングユニットに送信されます。
光トランシーバモジュールの回路図
光電子集積技術の発展に伴い、光トランシーバモジュールのパッケージ形態も若干変化してきました。光モジュール産業が形成される前の初期には、大手通信機器メーカーによって開発されました。インターフェースは多様であり、普遍的に使用できるものではありませんでした。これにより、光トランシーバモジュールは互換性がなくなりました。業界の発展のために、最終的な「マルチソース協定（MSA）」が誕生しました。 MSA規格により、独自にトランシーバーの開発に注力する企業が現れ始め、業界は隆盛を極めました。
光トランシーバ モジュールは、パッケージの形式に応じて SFP、XFP、QSFP、CFP などに分類できます。
· SFP (Small Form-factor Pluggable) は、最大 10Gbps の転送速度をサポートする、電気通信およびデータ通信アプリケーション向けのコンパクトなプラグイン可能なトランシーバー モジュール標準です。
XFP (10 ギガビット スモール フォーム ファクター プラガブル) は、10G イーサネット、10G ファイバー チャネル、SONETOC-192 などの複数の通信プロトコルをサポートする 10G レートのスモール フォーム ファクター プラガブル トランシーバー モジュールです。XFP トランシーバーは、データ通信や通信に使用できます。他の 10Gbps トランシーバーよりも優れた消費電力特性を提供します。
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) は、高速データ通信アプリケーション向けのコンパクトでプラグ可能なトランシーバー規格です。速度に応じて、QSFP は 4×1G QSFP、4×10GQSFP+、4×25G QSFP28 光モジュールに分けることができます。現在、QSFP28 は世界中のデータセンターで広く使用されています。
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) は、伝送速度 100 ～ 400 Gbps の標準化された高密度波光分割通信モジュールに基づいています。 CFP モジュールのサイズは SFP/XFP/QSFP よりも大きく、首都圏ネットワークなどの長距離伝送に一般的に使用されます。
データセンター通信用光トランシーバモジュール
データセンターの通信は、接続の種類に応じて 3 つのカテゴリに分類できます。
(1) ユーザーにとってのデータセンターは、クラウドにアクセスして Web ページの閲覧、電子メールやビデオ ストリームの送受信などのエンドユーザーの行動によって生成されます。
(2) データセンターの相互接続。主にデータ複製、ソフトウェアおよびシステムのアップグレードに使用されます。
(3) データセンター内では、主に情報の保存、生成、マイニングに使用されます。シスコの予測によると、データセンターの内部通信はデータセンター通信の 70% 以上を占めており、データセンター建設の発展により高速光モジュールの開発が生まれています。
データ トラフィックは増加し続けており、データ センターの大規模化と平坦化の傾向により、次の 2 つの側面で光モジュールの開発が推進されています。
· 伝送速度要件の増加
・数量需要の増加
現在、世界のデータセンター光モジュールの要件は、10/40G 光モジュールから 100G 光モジュールに変化しています。中国の Alibaba Cloud プロモーションは、2018 年に 100G 光モジュールの大規模適用の初年度となるでしょう。アップグレードが期待されています。 2019 年の 400G 光モジュール。
Ali クラウド モジュールの進化パス
大規模データセンターの傾向により、伝送距離の要件も増加しています。マルチモード ファイバの伝送距離は信号速度の増加によって制限されるため、徐々にシングルモード ファイバに置き換わると予想されます。ファイバ リンクのコストは、光モジュールと光ファイバの 2 つの部分で構成されます。距離が異なれば、適用可能なソリューションも異なります。データセンター通信に必要な中長距離相互接続には、MSA から生まれた 2 つの革新的なソリューションがあります。
・PSM4（パラレルシングルモード4レーン）
・CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4レーン）
そのうち、PSM4 ファイバーの使用量は CWDM4 の 4 倍です。リンク距離が長い場合、CWDM4 ソリューションのコストは比較的低くなります。以下の表から、データセンターの 100G 光モジュール ソリューションの比較がわかります。
現在、400G 光モジュールの実装技術が業界の注目を集めています。400G 光モジュールの主な機能は、データ スループットを向上させ、データ センターの帯域幅とポート密度を最大化することです。その将来の傾向は、幅広いデータ通信量を実現することです。利得、低ノイズ、小型化、統合化を実現し、次世代無線ネットワークや超大規模データセンター通信アプリケーションのニーズに対応します。
初期の400G光モジュールは、CFP8パッケージで16チャンネルの25G NRZ（Non-Returnto Zero）信号変調方式を採用していました。メリットは100G光モジュールで培った25G NRZ信号変調技術を流用できることですが、デメリットは16 個の信号を並列に送信する必要があり、消費電力と容量が比較的大きいため、データセンターの用途には適していません。現在の 400G 光モジュールでは、8 チャネルの 53G NRZ または 4 チャネルの 106G PAM4 (4 パルス)振幅変調）信号変調は、主に 400G 信号伝送を実現するために使用されます。
モジュールのパッケージングに関しては、OSFP または QSFP-DD が使用され、どちらのパッケージも 8 つの電気信号インターフェイスを提供できます。比較すると、QSFP-DD パッケージはサイズが小さく、データセンター アプリケーションにより適しています。 OSFP パッケージはサイズがわずかに大きく、より多くの電力を消費するため、通信アプリケーションにより適しています。
100G/400G 光モジュールの「コア」電力を分析
100G および 400G 光モジュールの実装について簡単に紹介しました。 100G CWDM4 ソリューション、400G CWDM8 ソリューション、および 400G CWDM4 ソリューションの概略図では、次のことがわかります。
100G CWDM4 の回路図
400G CWDM8 の回路図
400G CWDM4 の回路図
光モジュールにおいて、光電信号変換を実現する鍵となるのが受光素子です。最終的にこの計画を実現するには、どのようなニーズを「核」から満たす必要があるのでしょうか？
100G CWDM4 ソリューションには 4λx25GbE の実装が必要で、400G CWDM8 ソリューションには 8λx50GbE の実装が必要で、400G CWDM4 ソリューションには 4λx100GbE の実装が必要です。変調方式に対応して、100G CWDM4 および 400G CWDM8 方式は NRZ 変調を採用しており、それぞれの変調速度に対応しています。 25Gbd および 53Gbd デバイス。400G CWDM4 方式では PAM4 変調方式が採用されており、デバイスの変調速度も 53Gbd 以上である必要があります。
デバイスの変調レートはデバイスの帯域幅に対応します。 1310nm 帯域の 100G 光モジュールの場合、帯域幅 25GHz InGaAs 検出器または検出器アレイで十分です。