光モジュールとは何ですか?
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光モジュールというと、皆さんよくご存知かと思います。光通信の急速な発展に伴い、私たちの仕事や生活の多くの場面で「銅に代わるファイバー」が実現しています。つまり、同軸ケーブルに代表される金属媒体通信と、ネットワークケーブル徐々に光ファイバーメディアに取って代わられつつあります。光モジュール～の中核コンポーネントです光ファイバー通信システム。
1. 光モジュールの構成
光モジュールは、英語でOptical Transceiverと呼ばれ、光受信モジュール、光送信モジュール、光送受信モジュール、光転送モジュールなどの各種モジュールの総称です。
今日、光モジュールについて話すときは、通常、光トランシーバーを意味します (これは本文全体で当てはまります)。
光モジュールは、OSI モデルの最下層である物理層で動作します。その機能は非常に単純で、光電変換を実現します。光信号を電気信号に、電気信号を光信号に変換します。
単純そうに見えますが、実装プロセスにおける技術的な内容は低くありません。
光モジュールは通常、光送信機（TOSA、レーザー ダイオードを含む送信光サブアセンブリ、{0}}）、光受信機（ROSA、光検出器を含む受信光サブアセンブリ）、機能回路、および光（電気）インターフェイスで構成されます。
送信側では、ドライバー チップが元の電気信号を処理し、半導体レーザー ダイオード (LD) または発光ダイオード (LED) を駆動して変調された光信号を放射します。{0}
受信側では光信号が入力され、光検出器で電気信号に変換され、プリアンプで増幅されて出力されます。
2. 光モジュールの梱包
初心者にとって、光モジュールの最もイライラする点は、非常に複雑なパッケージ名と、困惑するほどのパラメータの配列です。
パッケージングは、単純にフォームファクターの標準として理解できます。これは光モジュールを区別する主な方法です。
光ファイバー通信技術の急速な発展が、多数のパッケージング規格の主な理由です。
光モジュールの速度は常に向上しており、そのサイズも縮小しているため、数年ごとに新しいパッケージング規格が導入されています。通常、新旧のパッケージ規格間の互換性は困難です。
さらに、光モジュールの多様なアプリケーションシナリオもパッケージング規格の増加の理由です。異なる伝送距離、帯域幅要件、および使用場所は、異なる種類の光ファイバ、つまり異なる光モジュールに対応します。
以下の表に示すように、パッケージングを含む光モジュールのいくつかの分類方法をリストしました。
3. 光モジュールの分類
パッケージングと分類を説明する前に、光通信の標準化団体を紹介しましょう。これらの包装規格は標準化団体によって決定されるためです。
現在、光通信を標準化する世界的な組織がいくつかあります。たとえば、よく知られている IEEE (電気電子技術者協会)、ITU-T (国際電気通信連合)、MSA (マルチソース協定)、OIF (光インターネットワーキング フォーラム)、CCSA (中国通信標準化協会) などです。
業界で最も一般的に使用されているのは、IEEE と MSA です。
MSA についてはあまり馴染みがないかもしれません。英語名はマルチソースアグリーメントです。これはマルチベンダーの仕様であり、IEEE と比較すると非公式の組織形態であり、業界提携の行動として理解できます。-
さて、いよいよパッケージングのご紹介です。
まず、次の画像をご覧ください。これは、さまざまなパッケージの出現期間と、それに対応する作業速度を正確に説明しています。
4. 共通パッケージ
GBIC
GBIC はギガ ビットレート インターフェイス コンバーターの略です。 2000 年以前は、GBIC が最も一般的な光モジュール パッケージであり、最も広く使用されているギガビット モジュール形式でした。
SFP
GBIC のサイズが大きいため、SFP は後に登場し、GBIC の地位を置き換え始めました。 SFP (正式名称 Small Form-factor Pluggable) は、小型のホットプラグ可能な光モジュールです。- GBIC パッケージに比べてサイズが小さいです。
SFP の体積は GBIC モジュールと比較して半分に削減され、同じパネル上で 2 倍以上のポートを構成できます。機能の面では、どちらもホットプラグをサポートしています。- SFP は最大 4Gbps の帯域幅をサポートします。
XFP
XFP は 10-ギガビット スモール フォーム ファクタ- プラガブルです。これは、XFI (10Gb シリアル インターフェイス) 接続を備えたフルスピードのシングルチャネル シリアル モジュールを使用しており、Xenpak とその派生製品を置き換えることができます。
SFP+
SFP+ も 10G 光モジュールです。サイズは SFP と同等で、XFP よりもコンパクト (約 30% 縮小)、消費電力が低くなります (一部の信号制御機能が削減)。
SFP28
25Gbps の速度の SFP28 は主に、当時の 40G および 100G 光モジュールの価格が高すぎたため、この妥協的な移行ソリューションが導入されました。
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD
クアッド スモール フォーム ファクタ-プラグイン可能、4 チャネルの SFP インターフェース。- XFP の多くの成熟した主要テクノロジーがこの設計に適用されています。
QSFPは、4×10G QSFP+、4×25G QSFP28、8×25G QSFP28-DD光モジュールなどに分けることができます。
たとえば、QSFP28 は 4x25GE アクセス ポートに適しています。 QSFP28 を使用すると、40G を経由せずに 25G から 100G にアップグレードできるため、配線の難しさが大幅に簡素化され、コストが削減されます。
QSFP-DD
2016 年 3 月に設立された DD は「Double Density」の略です。の4つのチャンネルを増やします。QSFP8チャンネルまで。
QSFP ソリューションと互換性があります。オリジナルの QSFP28 モジュールは引き続き使用でき、別のモジュールを挿入するだけです。電気接点の数QSFP-DDQSFP28の2倍です。
QSFP-DD は、チャネルごとに 25Gbps NRZ または 50Gbps PAM4 信号形式を使用します。 PAM4 を使用すると、最大 400 Gbps のレートをサポートできます。
PAM4
PAM4 (4 パルス振幅変調) は「倍増」テクノロジーです。
光モジュールの場合、レートを向上させたい場合は、チャネルの数を増やすか、単一チャネルのレートを増加します。
従来のデジタル信号は主に NRZ (Non-Return-to-}Zero) 信号を使用し、高信号レベルと低信号レベルを使用してデジタル論理信号の 1 と 0 の情報を表し、各信号シンボル期間が 1 ビットの論理情報を送信します。
PAM4 信号は送信に 4 つの異なる信号レベルを使用し、各シンボル期間は 2 ビットの論理情報 (0、1、2、3) を表します。同じチャネル物理帯域幅の下で、PAM4 は NRZ 信号の 2 倍の量の情報を送信するため、レートが 2 倍になります。
CFP/CFP2/CFP4/CFP8
Centum ギガビット Form Pluggable、高密度波長分割光通信モジュール。伝送速度は100～400Gbpsに達します。
CFP は SFP インターフェイスに基づいて設計されており、サイズが大きくなり、100 Gbps データ伝送をサポートします。 CFP は、単一の 100G 信号、1 つまたは複数の 40G 信号をサポートできます。
CFP、CFP2、および CFP4 の違いはサイズにあります。 CFP2 のサイズは CFP の半分、CFP4 は CFP の 4 分の 1 です。
CFP8 は 400G 向けに特別に提案された実装形態で、CFP2 と同様のサイズです。 25Gbps および 50Gbps のチャネル レートをサポートし、16x25G または 8x50 電気インターフェイスを通じて 400Gbps のモジュール レートを達成します。
OSFP
これは、OSPFルーティングプロトコル。
OSFP、オクタル スモール フォーム ファクター プラガブル, 「O」は「octal」の略で、2016年11月に正式に発売されました。
8 つの電気チャネルを使用して 400 GbE (8*56 GbE ですが、56 GbE 信号は PAM4 変調下の 25 G DML レーザーによって形成されます) を達成するように設計されており、QSFP-DD よりわずかに大きく、より高いワット数の光エンジンとトランシーバーを備え、放熱性能がわずかに優れています。-
これらは、一般的な光モジュールのパッケージング規格の一部です。
5. 400G 光モジュール
お気づきかと思いますが、パッケージの紹介で 400Gbps をサポートする 3 種類の光モジュール、QSFP-DD、CFP8、OSFP について言及しました。
400G は現在、光通信業界の主要な競争方向です。現在、400G も大規模な商用利用の初期段階にあります。-
周知のとおり、5G ネットワーク構築の大規模な開始、クラウド コンピューティングの急速な発展と大規模なデータセンター建設により、ICT 業界の 400G 需要はますます緊急になっています。{0}{2}
初期の 400G 光モジュールでは、CDFP または CFP8 パッケージを使用した 16 レーン 25Gbps NRZ 実装方式が使用されていました。
この実装方法は、100G 光モジュール用に開発された成熟した 25G NRZ テクノロジーの使用から恩恵を受けます。ただし、16 レーンの並列伝送が必要なため、消費電力が高く、サイズも大きくなり、データセンター用途には適さないという欠点があります。
その後、PAM4 が NRZ に取って代わり始めました。
光側では、400G 信号伝送は主に 8 レーンの 53Gbps PAM4 または 4 レーンの 106Gbps PAM4 を使用して実現され、電気側では、8 レーンの 53Gbps PAM4 電気信号が OSFP または QSFP{10}} DD パッケージ形式で使用されます。
比較すると、QSFP-DD パッケージは小型であり（従来の 100G 光モジュール QSFP28 パッケージと同様）、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 パッケージはわずかに大きく、より多くの電力を供給できるため、通信アプリケーションにより適しています。
現在、400G 光モジュールは、パッケージング方法に関係なく非常に高価であり、ユーザーの期待に応えるには程遠いです。したがって、すぐに普及させることはできません。
もう 1 つの注目すべき技術は、一般にシリコン フォトニクスとして知られるシリコン フォトニクスです。
シリコンフォトニクスは、400G時代において幅広い応用範囲と高い競争力を持つと見なされ、多くの企業や研究機関から注目を集めています。
6. 光モジュールの主要な概念
400G について簡単に説明した後、光モジュールの分類を続けましょう。
パッケージングに基づいて、いくつかのパラメータと組み合わせて、光モジュールの名前が付けられます。
100G を例にとると、次のタイプの光モジュールがよく見られます。
100GBASE で始まる規格は、IEEE 802.3 ワーキング グループによって提案されています。 PSM4 と CWDM4 は MSA からのものです。
PSM4 (並列シングルモード 4 レーン、並列シングル-モード 4- チャネル)
CWDM4 (粗波長分割多重化装置 4 レーン、4- チャネル粗波長分割多重)
IEEE 802.3 の名前を見てみましょう。
上の図に示すように:
100GBASE- LR4 の名前では、LR は長距離、つまり 10Km を意味し、4 は 4 つのチャネル、つまり 4*25G を意味し、10Km を伝送できる 100G 光モジュールを形成するために結合されます。
-R の命名規則は次のとおりです。
IEEE の 100GBASE、MSA の PSM4、CWDM4 がある理由は、100GBASE-SR4 がサポートする距離が短すぎて相互接続のニーズをすべて満たすことができず、100GBASE-LR4 のコストが高すぎるためです。 PSM4 と CWDM4 は、より優れた中距離ソリューションを提供しました。-
距離とチャンネル数に加えて中心波長も見てみましょう。
光の波長はその物理的特性を直接決定します。現在、光ファイバーに使用される光の中心波長は、主に850nm、1310nm、1550nm（nmはナノメートルの略）です。
このうち、850nmは主にマルチモードに使用され、1310nmと1550nmは主にシングルモードに使用されます。
シングルモードとマルチモードの詳細については、光ファイバーに関する以前の説明を参照してください。
シングル モードとマルチモードの場合、ベア モジュールにマークが付いていないと、混同しやすくなります。
したがって、メーカーは通常、プルリングの色でこれらを区別します。
青と黄色のプルリング
ここでは、よく目にする WDM CWDM と DWDM についても説明します。
WDM は波長分割多重化の略です。簡単に言うと、異なる波長の光信号を同じ光ファイバーに多重化して伝送します。
実際、波長分割多重は周波数分割多重の一種です。波長 × 周波数=光の速度 (固定値) であるため、波長で割ることは実際には周波数で割ることになります。光通信では、人々は波長によって名前を付けることに慣れています。
DWDM は高密度 WDM、CWDM は粗い WDM です。名前から、D-WDM の波長間隔が小さいことが理解できるはずです。
WDM の利点は大容量であり、長距離伝送が可能であることです。
ちなみにBiDi（BiDirectional）とは、単一方向、1本の光ファイバー、双方向の送受信です。動作原理は次の図に示されています。
実際にはフィルターを追加しています。送信と受信の波長が異なるため、送信と受信を同時に行うことができます。
7. 光モジュールの基本指標
光モジュールの基本的な指標には主に次のようなものがあります。
出力光パワー
出力光パワーとは、光モジュールの送信側の光源の出力光パワーを指します。これは、W、mW、または dBm の単位で表される光の強度として理解できます。このうち、W または mW は線形単位、dBm は対数単位です。通信では、通常、光パワーを表すために dBm を使用します。
光パワーの 3dB の減少は半分になることを意味し、0dBm は 1mW に相当します。
最大受信感度
受信感度とは、一定のレートおよび誤り率の下での光モジュールの最小受信光パワーを指し、単位は dBm です。
一般に、レートが高くなるほど受信感度は悪くなり、最小受信光パワーが大きくなり、光モジュールの受信側デバイスに対する要求も高くなります。
消光比
消光比は、光モジュールの品質を測定するために使用される重要なパラメータの 1 つです。
これは、完全変調条件下での信号の平均光パワーと空間信号の平均光パワーの最小比を指し、0 と 1 の信号を区別する能力を示します。光モジュールの消光比に影響を与える 2 つの要素は、バイアス電流 (bias) と変調電流 (Mod) であり、ER=Bias/Mod として考慮できます。
消光比の値は必ずしも高ければ高いほど良いというわけではありません。 802.3 規格を満たす消光比を持つ光モジュールが適しています。
光学的飽和
飽和光パワーとも呼ばれ、一定のエラー レート (10-10-10-12) を維持しながら、一定の伝送速度下での最大入力光パワーを指します (単位は dBm)。
なお、強い光が照射されると光検出器は飽和現象を起こします。この現象が発生すると、検出器が回復するまでに一定の時間がかかり、その間に受信感度が低下し、受信信号を誤判定してエラー現象を引き起こす可能性があり、受信側の検出器も非常に損傷しやすくなります。したがって、使用中にその飽和光パワーを超えないようにする必要があります。
8. 光モジュールの産業チェーン
最後に、光モジュールの業界チェーンについて簡単に説明しましょう。
現在、光モジュール市場は、主に5Gとデータセンター、前述したように。
5G ネットワーク構築で最もコストがかかる 2 つの側面は、基地局と光トランスポート ネットワークです。光伝送ネットワークにおいて、光ファイバの水分含有量はそれほど多くありませんが、光モジュールは非常に厄介です。
光モジュールの中心となる最も高価なコンポーネントはチップです。レーザーと光検出器のチップがコストの半分以上を占めます。
チップに関しては、現在の状況では、ハイエンド チップでは海外メーカーが有利ですが、ミッドエンドからローエンド チップでは国内メーカーが有利です。{{1}{2}}-しかし、国内メーカーはハイエンド市場で躍進を続けています。-ハイエンド チップの利益率がローエンド チップよりも高いことは明らかです。-
中国には全体として1000社以上の光通信会社があるが、利益率はいずれも非常に低い。また、産業チェーン構造においては、機器メーカー（ファーウェイ、ZTE）、光通信会社も比較的「謙虚」であり、交渉力がありません。
業界の競争は熾烈で、新製品やハイエンド製品のほうが利益は多くなりますが、時間の経過とともに利益は縮小していきます。{0}
とりあえず、ざっくりこんな感じです。
