光ファイバートランシーバー開発の概要

光ファイバートランシーバーの紹介

光モジュールとも呼ばれる光ファイバートランシーバーは、電気信号と光信号の間の変換を実現するために使用されます。 通信機器を光ファイバーで接続するためのコアデバイスです。 光モジュールは、通常、送信光サブアセンブリ (TOSA、レーザー LD チップを含む)、受信光サブアセンブリ (ROSA、光検出器 PD チップを含む)、駆動回路、および光および電気インターフェイスで構成されます。 その回路図を図に示します 1.

図1 光モジュールの内部構造図

光モジュール内のレーザーは、垂直共振器面発光レーザー (VCSEL)、ファブリペロー レーザー (FP)、分布帰還レーザー (DFB)、電界吸収変調レーザー (EML)、狭帯域波長可変レーザーなどに分類できます。 光検出器は、PIN 接合ダイオード (PIN) とアバランシェ フォトダイオード (APD) に分類できます。 レーザーと光検出器の種類によって性能とコストが異なるため、特定の仕様に応じてさまざまなチップ ソリューションを選択できます。

光モジュールの基本的な機能ブロック図を紹介するために、例として 25G グレー光モジュールを取り上げましょう。

図2 光モジュールの基本機能ブロック図

送信側では、特定の速度の電気信号がドライバーチップによって処理され、レーザー（LD）を駆動して、対応する速度で変調された光信号を放出し、安定した電力の光信号が光電力自動を通じて出力されます。制御回路。 受信側では、モジュールに入った後、特定のレートの光信号が光検出器（PD）によって電気信号に変換され、プリアンプを通過した後に対応するレートの電気信号が出力されます。

レーザーと検出器に加えて、光学モジュールにはいくつかの電気チップも含まれています。特定の機能は下の図に示されています。

図 3 光モジュールの内部コンポーネントの機能の紹介

光モジュールの分類

 

光モジュールは、実装方法、レート、伝送距離、変調方式、サポートの有無など、さまざまな方法で分類できます。 波長分割多重 (WDM) アプリケーション、光インターフェイスの動作モード、動作温度範囲など。具体的な分類を次の表に示します。

表1 光モジュールの分類

光モジュールの分類
フォームファクター別	SFP、SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFPなど。
伝送距離別	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
変調モード別	NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAMなど
波長分割多重 (WDM) がサポートされているかどうか	グレーライトモジュール（WDM非対応）、カラー光モジュール（WDM対応）
光インターフェースのワーキングモジュールによる	デュプレックス、BiDi
使用温度範囲別	業務用（0～70℃）、工業用（-40～85℃）等

パッケージング方法の進化は、光モジュールの高速化と小型化の進化傾向を最も直感的に反映することができます。 SFP パッケージから QSFP、QSFP-DD パッケージへと、光モジュールの速度は 1Gbps から 800Gbps、およびパッケージング技術の向上により、光モジュールは、体積をほとんど変えずに、より高いレート要件に適応できるようになりました。

図4 光モジュールパッケージングの進化

5G の出現により、光モジュール メーカーは、より高い帯域幅要件をサポートするために、カラー光モジュールを発売しました。 着色された光学モジュールは採用します WDM 異なる波長の光信号を XNUMX 本の光ファイバーに結合して伝送する技術で、リンクの信号伝送帯域幅を大幅に改善します。 現在、カラーモジュールは主にCWDM、LWDM、MWDM、DWDMに分かれています。

表2 カラー光モジュールの比較

カラー光モジュールの主な種類	チャネル間隔	スキーム	費用	主な商圏
CWDM	20nm	非冷却 DML + PIN	低いです	中国
LWDM	800GHz	冷却DML+PIN	ミディアム	日本と韓国
DWDM	100GHz	冷却EML+APD	高いです	北米、日本、韓国
MWDM	CWDM波長+-3.5nm	冷却DML+PIN	ミディアム	中国

その波長分布は次のとおりです。

図5：カラー光モジュールの波長分布

光モジュールの主な応用分野

光モジュールは、主に通信やデータセンターの分野で使用されています。 電気通信の分野では、主にワイヤレスフロントホール、ミドルおよびバックホール、バックボーン伝送、FTTXなどで使用されます。 データセンターの分野では、主要なデータセンターの内部データ伝送やデータセンター間の相互接続によく使用されます。

 通信分野における光ファイバートランシーバーの応用

5G ベアラー ネットワークを例にとると、一般にメトロ アクセス レイヤー、メトロ アグリゲーション レイヤー、メトロ コア レイヤー/地方幹線に分割され、5G サービスのフロントホールおよびミッドホール機能を実現します。 各層のデバイスは主に光モジュールを介して相互接続されており、その典型的なアプリケーション シナリオと要件分析を表 3 に示します。

表 3: 5G ベアラ光モジュールのアプリケーション シナリオと需要の分析

ネットワーク階層化	メトロ アクセス レイヤー		メトロ コンバージェンス レイヤー	メトロ基幹層・幹線
	5G フロントホール	5G ミッド＆バックホール	5G ミッド＆バックホール + DCI	5G ミッド＆バックホール + DCI
伝送距離	<10/20km	<40km	<40km-80km	<40km-80km/数百km
ネットワーク トポロジ	スター型が主流で、リング型ネットワークが補助	チェーンまたはスターリンクの数が少なく、リングネットワークが支配的	リング ネットワークまたはデュアル アップリンク リンク	リング ネットワークまたはデュアル アップリンク リンク
顧客インターフェース率	eCPRI:25Gb/秒、 CPRI:N*10/25Gb/秒	初期の5G:10/25Gb/s スケール事業：N*25/50Gb/s	初期の5G:10/25Gb/s スケール事業：N*25/50/100Gb/s	初期の 5G: 25/50/100Gb/s スケール事業：N*100/400Gb/s
ライン インターフェイス レート	10/25/100Gb/s グレーライトまたは N*25/50Gb/s WDM カラーライト	25/50/100Gb/s グレーライトまたは N*25/50Gb/s WDM カラーライト	100/200Gb/s グレーライトまたは N*100Gb/s WDM カラーライト	200/400Gb/s グレーライトまたは N*100/200/400Gb/s WDM カラーライト

5G フロントホール アプリケーション シナリオにおける光モジュールの一般的な要件は次のとおりです。

(1) 産業用温度範囲内で、高い信頼性要件を満たす: AAU の完全な屋外アプリケーション環境を考慮すると、フロントホール光モジュールは、-40°C ~ +85°C の産業用温度範囲内にあり、防塵要件を満たす必要があります。
(2) 低コスト: 5G 光モジュールの総需要は 4G を超えると予想され、特にフロントホール光モジュールの需要は数千万のオーダーになる可能性があります。 低コストは、光モジュールに対する業界の主な要求の XNUMX つです。

表4 5Gフロントホール光モジュールの現状

レート	フォームファクター	伝送距離	動作波長	変調フォーマット	光チップ
25Gb / s (eCPRI/CPRI)	SFP28	70-100m	850nm	NRZ	VCSEL+ピン
	SFP28	300m	1310nm	NRZ	FP/DFB+ピン
	SFP28	10km	1310nm	NRZ	DFB + PIN
	SFP28 ビディ	10km/15km/20km	1270 / 1330nm	NRZ/PAM4	DFB+PIN(またはAPD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	非冷却DFB+PIN
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	冷却DFB+PIN
	SFP28	10km	MWDM	NRZ	冷却DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	冷却EML+APD
	SFP28 調整可能	10km / 15km	DWDM	NRZ	冷却EML+APD

5G メディアおよびバックホールは、大都市圏のアクセス レイヤー、アグリゲーション レイヤー、およびコア レイヤーをカバーします。 必要な光モジュール技術は、既存の伝送ネットワークやデータセンターで使用されているものと大差ありません。 アクセス レイヤーは主に 25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s およびその他のグレー光またはカラー光モジュールを使用し、コンバージェンス レイヤー以上は主に使用します。 100Gb / s、200Gb/s、400Gb/s、およびその他の DWDM カラーライトモジュール。

データセンターにおける光モジュールの適用

データセンターとは、複数のコンピュータールームで構成される巨大なデータセンター群です。 インターネットサービスを正常に利用するためには、データセンターの運用を調整する必要があります。 データセンター間の大量の情報が同時に収束し、データセンター相互接続ネットワークの需要が生まれ、光ファイバー通信はネットワーク相互接続を実現するために必要なソリューションです。 データセンターの相互接続では、従来のテレコム アクセス ネットワークの伝送装置とは異なり、より大規模かつ集中的な情報伝送を実現する必要があり、スイッチング装置には、より高速、低消費電力、およびより小型化された性能が求められます。 光トランシーバーは、これらの性能を実現できるかどうかを決定する重要な要素です。

データセンター内の光モジュールの接続タイプは、データセンター内の内部情報伝送、データセンター間の相互接続、およびデータセンターからユーザーへの情報伝送の XNUMX つのタイプに分けることができます。 現在、データセンターの内部通信は、データセンター通信の大部分を占めています。 データセンター建設の大きな発展は、高速光モジュールの開発を促進し、高速光モジュールのアプリケーションの見通しはますます良くなっています。

図 6 データセンター内の図

光モジュール産業チェーン

光モジュール産業チェーンは、上流の光電子チップ サプライヤ、中流の光モジュール サプライヤ、および下流の電気通信、ネットワーク機器ベンダー、インターネット サービス プロバイダ、およびインターネット メーカーで構成されています。

図 7 光モジュールの業界チェーン

上流の光電子チップのサプライヤは多数ありますが、ハイエンドの光チップと電気チップには高い技術的障壁と高い研究開発費があります。 光モジュール産業は産業チェーンの中間に位置し、技術的障壁が比較的低いパッケージング リンクに属しています。 チェーンの上層部と下層部の圧力にさらされており、交渉力が比較的弱く、業界内での競争が激しい。 何年にもわたる開発の後、中国企業は、人件費、市場規模、および機器メーカーとオペレーターからのサポートの利点により、世界の光モジュール市場の半分を占めています。

光ファイバートランシーバーの開発動向

高速化は、光モジュールの避けられない傾向です。 光モジュールが 400G、800G、さらには 1.6T などの高速に進化するにつれて、市場では低消費電力、小型化、および低コストに対する要求がますます厳しくなっています。 従来の光モジュール技術には技術的なボトルネックが存在します。 高集積化と低消費電力により、シリコンフォトニクス集積技術はこのボトルネックを打破し、技術的ブレークスルーをもたらします。 現在、国内外のメーカーがシリコンフォトニクス統合モジュールの研究開発に投資しています。 シリコンフォトニクス集積技術を用いた高速光モジュールの一部が量産され、データセンターで使用されています。