フジクラ技報　第１２３号

開 発 企 画 センター 1 安 東 泰 博 The State - of- the- art Developments of Optical Transmission Equipment and Modules Y. Ando 当 社 はこれまでに 光 通 信 用, 光 アクセスシステム 用 およびデータ 通 信 用 の 各 種 光 トランシーバやメデ ィアコンバータ, 画 像 伝 送 装 置,FTTH 用 PON 装 置, 仮 想 専 用 線 (VPN) 装 置 等 の 光 伝 送 機 器 の 開 発 を 進 めてきました.その 一 例 として 最 近 開 発 した1 光 通 信 システム 用 40 Gbit/s RZ-DQPSK 光 トランスポ ンダ,2 光 インタコネクションの 例 としてのデータセンター 用 と 産 業 機 器 用 AOC,および3 広 域 インタ ーネット 網 を 利 用 して 仮 想 専 用 線 を 構 築 するVPN 装 置 について 紹 介 します. Fujikura has developed a variety of optical transceivers for telecommunication, optical access network, and data communication. We also have developed optical transmission equipment such as a media converter, video transmission equipment, PON equipment for FTTH, and an apparatus for a virtual private network (VPN). This paper reviews recent developments of the above equipment and modules; (1) 40 Gbit/s RZ - DQPSK transponder for optical transport networks, (2) AOC (active optical cable) for data centers and manufacturing facilities, and (3) VPN apparatus that realizes VPN connection over the wide - area IP network. 1.ま え が き インターネットの 普 及 によりネットワークを 流 れる 通 信 トラヒックは 膨 張 の 一 途 をたどっています. 携 帯 電 話 とくにスマートフォンの 普 及 とクラウドサービスの 発 展 により,このトラヒックの 増 加 傾 向 は 収 まる 気 配 をみせ ません. 例 えば 日 本 におけるインターネット トラヒッ クの 増 加 は 2 年 ごとに 倍 増 しています.この 増 大 する トラヒックを 支 えているのが 光 ファイバを 用 いた 光 通 信 技 術 です. 伝 送 速 度 (ビットレート)の 高 速 化, 光 増 幅 技 術, 波 長 多 重 技 術, 多 値 位 相 変 調 方 式 の 導 入 によっ て,まだ 研 究 レベルであるが 1 本 の 光 ファイバによっ て 100 Tbit/sの 伝 送 容 量 が 実 現 されています 1). このような 光 伝 送 技 術 の 高 度 化 に 対 応 すべく 当 社 では 1980 年 台 以 来, 光 通 信 用, 光 アクセスシステム 用 およ びデータ 通 信 用 の 各 種 光 モジュール( 光 トランシーバや 光 トランスポンダ 等 )やメディアコンバータ, 画 像 伝 送 装 置,FTTH 用 PON 装 置, 仮 想 専 用 線 (VPN) 装 置 等 の 光 伝 送 機 器 の 開 発 を 進 めています.またネットワークに おける 通 信 と 比 べて 格 段 に 短 い 距 離 ( 装 置 の 内 部 配 線 や 装 置 間 接 続 )においても 光 技 術 の 導 入 が 始 まっていま す.いわゆる 光 インタコネクションであり, 最 近 は 光 電 気 変 換 部 を 電 気 コネクタに 内 蔵 したアクティブ 光 ケー ブル (AOC)という 形 態 の 光 インタコネクションも 現 れ てきています. 1 理 事 ( 工 学 博 士 ) 本 稿 では 当 社 での 光 伝 送 機 器 および 光 モジュール 開 発 における 最 近 のトピックスとして,1 多 値 位 相 変 調 方 式 を 用 いた 40 Gbit/s 光 トランスポンダ,2 光 インタコネ クションの 一 例 としてのデータセンター 用 と 産 業 機 器 用 AOC,および3インターネット 網 を 仮 想 専 用 線 として 利 用 できるVPN 装 置 について 紹 介 します. 2. 超 高 速 光 トランスポンダ 2.1 多 値 位 相 変 調 方 式 近 年, 基 幹 系 の 光 ネットワークは 10 Gbit/s をベース に 波 長 多 重 技 術 (WDM)を 併 用 することにより 大 容 量 化 が 図 られてきました. 当 社 でも,これまで 基 幹 系 光 ト ランスポンダの 業 界 標 準 仕 様 である 300 pin MSA 2) に 注 力 し,10 Gbit/s の 光 トランスポンダの 開 発 を 進 めてき ました 3).しかし,さらなる 大 容 量 化 が 求 められてお り, 多 値 位 相 変 調 方 式 を 用 いた 40 Gbit/sベースのシス テム,さらにはデジタル コヒーレント 技 術 を 利 用 した 100 Gbit/s 超 の 伝 送 システムの 導 入 が 始 まっています. 40 Gbit/s 以 上 の 伝 送 を 既 設 の 光 ファイバで 行 おうと すると,1 ビット 当 たりのパルス 幅 が 狭 く,したがって 占 有 する 周 波 数 帯 域 が 広 くなるため, 従 来 採 用 されてい る NRZ(Non Return-to-Zero) 変 調 方 式 に 代 表 される 振 幅 変 調 では 光 中 継 増 幅 器 で 発 生 蓄 積 する 自 然 放 出 光 (ASE) 雑 音, 波 長 分 散, 偏 波 モード 分 散 (PMD)など の 影 響 を 強 く 受 け, 伝 送 距 離 が 大 幅 に 制 限 されます.こ れらの 課 題 を 解 決 できる 変 調 方 式 として 多 値 位 相 変 調 方 17

2012 Vol. 2 フ ジ ク ラ 技 報 第 123 号 略 語 専 門 用 語 リスト 略 語 専 門 用 語 正 式 表 記 説 明 FTTH Fiber-to-the-Home 光 ファイバを 一 般 個 人 宅 へ 直 接 引 き 込 むアクセス 系 光 通 信 方 式 PON Passive Optical Network 光 スプリッタによる 信 号 の 分 岐 によって, 一 本 の 光 ファイバを 複 数 の 加 入 者 で 共 有 する 光 アクセス 網 WDM Wavelength Division Multiplexing 一 本 の 光 ファイバに 複 数 の 異 なる 波 長 の 光 信 号 を 同 時 に 入 力 し, 大 容 量 の 情 報 を 送 る 方 式 MSA Multi-Source-Agreement 複 数 の 企 業 が 集 まって 統 一 した 仕 様 を 策 定 し,それに 準 拠 した 製 品 を 提 供 する 形 態 NRZ Non Return-to-Zero 各 ビットの 間 がいったんゼロにならない2 値 の 符 号 化 方 式 RZ Return-to-Zero 各 ビットの 間 がいったんゼロになる 2 値 の 符 号 化 方 式 DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying 2ビットのデータを4つの 位 相 に 割 り 当 てるデジタル 変 調 方 式 であって, 直 前 のビットとの 差 分 に 位 相 情 報 を 与 えるもの C-band Conventional-band 光 通 信 で 使 用 される 波 長 範 囲 の 一 つで,1530-1565 nm の 波 長 帯 L-band Long wavelength band 光 通 信 で 使 用 される 波 長 範 囲 の 一 つで,1565-1625 nm の 波 長 帯 SOA Semiconductor Optical Amplifier 半 導 体 の 誘 導 放 出 を 利 用 する 光 増 幅 器 EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier 光 ファイバのコアにエルビウムイオンを 添 加 し,その エネルギー 準 位 の 遷 移 の 誘 導 放 出 を 利 用 する 光 増 幅 器 QSFP Quad Small Form-factor Pruggable 送 受 4 対 のポートを 有 する 活 栓 挿 抜 可 能 な 小 形 光 トラ ンシーバの MSA 規 格 IP Internet Protocol インターネットで 利 用 されているネットワーク 層 の 通 信 規 格 IaaS Infrastructure as a Service サーバ,ストレージ,ネットワークなどのインフラを 仮 想 的 に 提 供 するサービス 式 が 注 目 されています.40 Gbit/s 程 度 の 伝 送 システムで は RZ-DQPSK とよばれる RZ(Return - to - Zero) 化 した 差 動 4 値 位 相 変 調 方 式 (DQPSK)が 優 れています. 当 社 では 1 波 長 あたり 最 大 44.6 Gbit/s まで 伝 送 できる 高 密 度 波 長 多 重 (DWDM) 伝 送 システムに 適 用 できる RZ- DQPSK 光 トランスポンダを 開 発 しました 4). 表 1 に 40 Gbit/s 変 調 における 従 来 の NRZ 振 幅 変 調 と RZ - DQPSK を 比 較 して 示 します.4 値 の 位 相 変 調 を 利 用 することに よりシンボルレートは 1 / 2 となります( 電 気 回 路 の 動 作 速 度 が 1 / 2 で 良 い).また 占 有 周 波 数 帯 域 は 50 GHz グ リ ッ ド 内 に 収 ま り, 既 存 10 Gbit/s シ ス テ ム の 40 Gbit/s へのアップグレードが 容 易 になります. 2.2 40 Gbit/s RZ - DQPSK 光 トランスポンダ 表 2 に 開 発 した 40 Gbit/s RZ-DQPSK 光 トランスポン ダの 主 要 諸 元 を 示 します. 最 大 伝 送 速 度 は 44.6 Gbit/s で,10 Gbit/s イーサネットを 4 チャネル 束 ねた OTU 3e (Optical-channel Transport Unit 3 e)を OTN(Optical Transport Network)をかいして 転 送 することができま す. 光 源 には 波 長 可 変 レーザを 用 いており,C-bandまた はL-bandそれぞれの 全 波 長 域 の 任 意 の 波 長 を 選 択 でき ます. 光 出 力 パワーは 標 準 仕 様 では 5 2 dbm です が, 世 界 ではじめて 半 導 体 光 増 幅 器 (SOA)を 内 蔵 す るオプションを 有 し,4 7 dbmまで 増 幅 することがで きます.SOAの 内 蔵 はエルビウム 添 加 光 ファイバ 増 幅 器 (EDFA)を 外 付 けする 場 合 に 比 べて, 小 形, 低 消 費 電 表 1 40 Gbit/s 変 調 方 式 の 比 較 Table 1. Comparison of 40 Gbit/s Modulation Formats. 変 調 方 式 NRZ - OOK RZ - DQPSK 信 号 点 配 置 I:In-Phase ( 同 相 成 分 ) Q:Quadrature - Phase ( 直 交 成 分 ) Symbol Rate 40 Gsps 20 Gsps 変 調 光 スペクトル の 例 18

共 通 部 表 2 40 Gbit/s 光 トランスポンダの 主 要 諸 元 Table 2. Main specifications for 40 Gbit/s Optical transponder. 項 目 最 小 最 大 単 位 備 考 伝 送 速 度 43.02 44.57 Gbit/s デュアルレート 電 源 +5.0,+3.3, 5. 2 V 消 費 電 力 22 23 26 28 動 作 温 度 範 囲 5 70 サイズ 127 177 18 mm 送 信 部 光 出 力 パワー 動 作 中 心 波 長 5 4 1528.773 1570.416 2 7 1563.455 1607. 035 W dbm dbm nm nm 標 準 仕 様 SOA オプション 標 準 仕 様 SOA オプション C - band L - band 波 長 間 隔 約 0.4 nm 50 GHz 波 長 確 度 25 25 pm 受 信 部 光 入 力 パワー 0 8 dbm 色 分 散 耐 力 100 100 ps/nm 1 db ペナルティ DGD 耐 力 20 ps 1 db ペナルティ 表 3 QSFP 形 AOCの 主 要 諸 元 Table 3. Main specif ications for QSFP AOC. 項 目 端 末 形 状 データレーン 数 最 大 伝 送 ビットレート 内 容 SFF - 8436 QSFP+ 4 レーン( 送 受 信 4 ペア) 56 Gbit/s(1 レーン 当 り 14 Gbit/s) 電 気 データインタフェース 差 動 100 Ω(AC 結 合 ) 中 心 波 長 ケーブル 長 850 nm 7 100 m 動 作 ケース 温 度 0 70 電 源 電 圧 各 端 末 の 消 費 電 力 +3.13 to +3.47 V 最 大 1. 5 W 図 2 QSFP 形 AOCの 外 観 Fig. 2. Appearance of QSFP AOC. 図 1 40Gbit/s 光 トランスポンダの 外 観 Fig. 1. Appearance of 40 Gbit/s Optical Transponder. 力 などの 利 点 があります.しかしSOAは 応 答 速 度 がns オーダと 高 速 なため,NRZ などの 振 幅 変 調 信 号 を 飽 和 領 域 で 増 幅 するとパターン 効 果 ( 例 えばビット 1 が 連 続 したときにSOAの 励 起 キャリアが 枯 渇 し, 利 得 が 低 下 する 現 象 )が 発 生 するという 欠 点 があります.RZ- DQPSK は 振 幅 波 形 が RZ 化 されているため, 強 度 1 が 連 続 することはなく,SOAのパターン 効 果 はほとんど 現 れず 優 れた 組 合 せとなっています. 図 1 に 光 トランスポンダの 外 観 を 示 します. 筐 体 部 の 寸 法 は 127 mm 177 mm 18 mm と,300 pin MSA に 準 拠 しています. 2.3 デジタル コヒーレント 技 術 さて 最 近 の 通 信 トラヒック 増 加 はネットワークのさら なる 高 速 化 を 求 めています.チャネル 当 たり 100 Gbit/s 超 の 伝 送 速 度 を 実 現 する 方 式 として 注 目 されているのが デジタル コヒーレント 技 術 です.レーザ 光 のコヒーレ ンシ( 周 波 数 の 長 期 安 定 性 )を 利 用 して, 無 線 と 同 様 の ホモダイン 検 波 で 光 信 号 の 振 幅 と 位 相 を 正 確 に 測 定 し, より 多 値 化 を 進 めた 位 相 変 調 方 式 により 実 効 伝 送 速 度 を 上 げます.さらに 受 信 信 号 をアナログ/デジタル 変 換 し, 信 号 を 高 速 デジタル 処 理 により 補 償 判 別 する 技 術 です. 今 後 の 光 伝 送 技 術 の 主 流 となるとみられ, 当 社 に おいても 精 力 的 に 開 発 を 進 めています. 3. 光 インタコネクションとアクティブ 光 ケーブル(AOC) 3.1 データセンター 用 AOC スーパーコンピュータに 代 表 されるHPC(ハイパフォ ーマンスコンピューティング)の 内 部 配 線 やノード 間 の データ 通 信,およびデータセンター 内 のデータ 通 信 の 分 野 において, 広 帯 域 でしかもケーブルの 可 撓 性 に 優 れた AOCが 採 用 されています. 当 社 は 既 存 のアセンブリ 技 術 と 回 路 設 計 技 術 を 駆 使 することでアセンブリコストの 低 減 と 高 信 頼 性 を 実 現 した 新 たな 電 気 光 変 換 部 ( 光 エ ンジン)を 搭 載 した QSFP 形 AOC を 開 発 しました. 主 要 諸 元 を 表 3 に 示 します. 図 2 の 外 観 をもつ 19

2012 Vol. 2 フ ジ ク ラ 技 報 第 123 号 SFF -8436 QSFP+に 準 拠 した 電 気 インタフェースを 有 し, 伝 送 レートは Inf iniband 規 格 5) の Fourteen Data Rate (14 Gbit/s)までをサポートしています. 3.2 産 業 機 器 用 AOC 産 業 機 器, 特 に 大 容 量 の 画 像 データを 高 速 で 処 理 する マシンビジョンの 分 野 において, 従 来 のメタルケーブル では 高 速 化 と 長 距 離 伝 送 の 両 立 が 困 難 になってきていま す.そこで,デジタル 映 像 信 号 の 伝 送 方 式 の 一 つである カメラリンク 規 格 6) に 準 拠 した 電 気 インタフェースを 有 するAOCを 開 発 しました. 主 要 諸 元 を 表 4 に, 機 能 ブロック 図 を 図 3 に 示 しま す. 伝 送 距 離 を 制 限 している 映 像 信 号 線 のみを 光 化 する ことで, 既 存 品 と 使 い 方 を 変 えずにカメラリンク 規 格 で 定 められた 最 大 伝 送 距 離 10 mを 大 きく 上 回 る 50 mの 信 号 伝 送 を 実 現 しました.また, 可 動 部 ケーブルに 必 要 な 1000 万 回 以 上 の 屈 曲 耐 力 も 有 しており 可 撓 性 にも 優 れています.カメラリンクAOCの 両 端 のコネクタ 部 外 観 を 図 4 に 示 します. 表 4 カメラリンク AOC の 主 要 諸 元 Table 4. Main specifications for CameraLink AOC. 項 目 ケーブル 長 ケーブル 径 電 気 インタフェース 内 容 最 大 50 m 8.9 mm 26 ピンコネクタ 電 源 電 圧 +12V±5 % 消 費 電 力 ( 両 端 末 の 合 計 ) 0. 8 W 動 作 周 囲 温 度 10 50 屈 曲 耐 力 (R = 50 mm) 入 力 ピクセルクロック 周 波 数 1000 万 回 以 上 20 85 MHz 4. 仮 想 専 用 線 (VPN) 装 置 4.1 VPN 技 術 VPNは,インターネットに 代 表 される 広 域 なIP 網 あ るいは 広 域 なイーサネット 網 をかいして, 企 業 の 拠 点 間 などにあたかも 専 用 線 のような 接 続 を 構 築 する 技 術 で す. 物 理 回 線 を 実 際 に 占 有 する 従 来 の 専 用 線 サービスに 比 べて 安 価 であることがVPNの 第 一 の 利 点 ですが,イ ンターネット 接 続 の 高 速 化 にともない 利 便 性 も 向 上 し, その 価 値 は 年 々 高 まっています. VPNが 利 用 する 広 域 網 には, 多 くの 場 合 たがいに 無 関 係 な 多 数 のユーザが 接 続 されています. 所 望 の 相 手 と だけ 安 全 に 通 信 するために,VPNではユーザと 広 域 網 の 接 続 点 に 接 続 相 手 の 認 証 や 広 域 網 内 の 通 信 の 暗 号 化 をに なう 専 用 装 置 (VPN 装 置 )が 用 いられます. 4.2 Flebo シリーズの 特 徴 当 社 の VPN 装 置 Flebo シリーズ は 2004 年 の 発 売 以 来, 常 にクラス 最 高 水 準 の 性 能 を 提 供 してきました. 図 5 はその 最 新 モデル Flebo Next( 型 番 :FNX 0630) です. Flebo Next には 専 用 設 計 の LSI が 搭 載 されています. パケットのあて 先 判 定, 転 送, 暗 号 化 / 復 号 化 などをこ のLSIでハードウェア 処 理 することにより, 高 速 な 転 送 性 能 を 接 続 拠 点 数 などの 使 用 状 況 によらず 安 定 して 提 供 することができます.ハードウェア 処 理 は 容 易 に 類 推, 改 ざんできるものではないので 不 正 なアクセスに 対 して も 堅 牢 です. 通 信 装 置 を 運 用 するためには, 一 般 的 には 多 数 のパラ メータを 適 切 な 値 に 設 定 する 必 要 があります. 当 社 は 20 年 以 上 にわたってIP 系 通 信 装 置 を 開 発, 販 売 してき ました.この 間 フィールドから 得 た 経 験 をもとに,Flebo シリーズでは 設 定 パラメータを 合 理 的 に 絞 り 込 んだうえ で,ソフトウェア 技 術 を 駆 使 してWebの 設 定 画 面 の 構 成 や 遷 移, 操 作 部 の 配 置, 表 示 メッセージの 内 容 や 表 示 タイミングを 洗 練 し, 少 数 の 簡 単 な 操 作 で 設 定 できるよ うにしました. 当 社 のVPN 装 置 はハードウェアとソフトウェアの 機 能 分 担 を 最 適 化 して 簡 単 高 速 安 心 安 定 を 高 い レベルでバランスさせていることを 特 徴 とします. 図 3 カメラリンク AOC の 機 能 ブロック 図 Fig. 3. Block Diagram of CameraLink AOC. 図 4 カメラリンクAOCの 外 観 図 Fig. 4. Appearances of CameraLink AOC. 20

5.む す び 図 5 Flebo Next FNX0630 Fig. 5. Flebo Next FNX0630. 4.3 VPN 技 術 の 新 しい 応 用 VPN 装 置 の 拠 点 間 転 送 方 式 はブリッジング 方 式 とル ーティング 方 式 に 大 別 されます.Flebo シリーズはブリ ッジング 方 式 のVPN 装 置 です. クラウド コンピューティングでサービスを 提 供 する ソフトウェアは 必 ずしも 単 一 のサーバマシン 上 で 固 定 的 に 動 作 するわけではありません. 必 要 に 応 じて 複 数 のマ シン 上 で 動 作 したり,マシン 間 を 移 動 したりします.こ の 際, 同 一 のソフトウェアを 動 作 させるマシン 間 はブリ ッジング 接 続 されていることが 望 ましい. 一 方,すでに ルータ 装 置 で 切 り 分 けられてしまっているネットワーク 間 をブリッジ 装 置 で 接 続 しなおすことは 現 実 的 には 難 し いことです. この 問 題 を 解 決 するためにブリッジング 方 式 のVPN 技 術 が 注 目 されています.クラウド コンピューティン グにおけるネットワークの 仮 想 化 (Infrastructure as a Service(IaaS))は VPN 技 術 の 新 しい 応 用 のひとつです. 当 社 の 光 伝 送 機 器 モジュール 分 野 の 最 近 の 開 発 成 果 の 中 から,40 Gbit/s 級 光 トランスポンダ,データセンタ ー 用 と 産 業 機 器 用 AOCおよびVPN 装 置 を 取 り 上 げ,それ ぞれの 現 状 と 展 望 について 紹 介 しました. これまで 通 信 を 主 たる 応 用 分 野 として 発 展 してきた 光 伝 送 技 術 は, 産 業 機 器, 医 療,センサー ネットワー ク, 車 載 ネットワークやロボティクス 等 の 分 野 へ 今 後 は その 適 用 範 囲 を 拡 大 していきます. 当 社 もこのような 広 い 分 野 への 光 技 術 の 拡 散 に 必 要 となる 新 技 術 を 開 発 し, 社 会 にインパクトを 与 え 得 る 製 品 を 提 供 しつづけたいと 考 えています. 参 考 文 献 1) Akihide Sano,Takayuki Kobayashi,Shogo Yamanaka, Akihiko Matsuura,Hiroto Kawakami,Yutaka Miyamoto, Koichi Ishihara,Hiroji Masuda, 102.3 - Tb/s (224 x 548- Gb/s)C - and Extended L - band All - Raman Transmission over 240 km Using PDM - 64QAM Single Carrier FDM with Digital Pilot Tone, in Proc. of OFC/NFOEC 2012, no. PDP5C.3. 2) http://300pinmsa.org/ 3) 藤 咲 ほか: 10 Gbit/s フルバンドチューナブル 光 トラン スポンダ,フジクラ 技 報, 第 111 号,pp. 16-19,2006. 4) 藤 咲 ほか: 多 値 位 相 変 調 方 式 を 用 いた 40 Gbit/s 光 トラ ンスポンダ,フジクラ 技 報, 第 120 号,pp. 23-28,2011. 5) http://www.infinibandta.org/ 6) http://www.visiononline.org/ 21