コヒーレント光通信入門

コヒーレント光学の開発

コヒーレント光学の発展を語るには、光ファイバー通信の誕生と発展に触れなければなりません。光ファイバー通信の始まりは1966年にさかのぼり、光ファイバー通信の父であるCharles K. Kaoが伝送媒体として石英ガラスファイバーを提唱し、これにより 

高速光ファイバー通信システムの基盤を築きます。

そして1980年代以降、光ファイバーの損失低減と、半導体レーザーや光検出器などの光通信部品の継続的な発展に伴い、光通信は飛躍的な発展を遂げてきました。

1990年代初頭、光通信システムにおける最も重要な発明はエルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）であり、これは中継点または受信端で信号を増幅でき、長距離光通信の基盤を築きました。現在に至るまで、EDFAは最も広く使用され、最も信頼性の高い光増幅技術として認識されています。同じ頃、高密度波長分割多重（DWDM）技術も開発され、ファイバの低吸収領域を最大限に活用することで、光通信の伝送容量を大幅に増加させました。 

EDFAとDWDM技術の組み合わせに基づく強度変調・直接検波（IM/DD）光システムは、広く使用されてきました。IM/DDは、大容量かつ長距離の光ファイバー伝送に低コストでシンプルなソリューションを提供するため、高コストで技術が複雑なコヒーレント光通信の進展は、しばらくの間緩やかでした。

21世紀に入り、ネットワークトラフィックが急増するにつれて、光通信システムには伝送容量と品質のさらなる向上が求められるようになりました。EDFAおよびWDM技術には限界があり、光通信サービス事業者は伝送容量を向上させるための新たな技術的ブレークスルーを早急に見つける必要があります。こうした要求を満たすため、光通信システムには、光ファイバーの分散効果をさらに克服し、限られた帯域幅内で伝送容量を向上させ、受信感度を高めてより長い伝送距離を実現することが求められます。そのため、コヒーレント光技術は急速な発展段階に入りました。従来のIM/DD光システムと比較して、コヒーレント光通信システムには、高感度、長距離伝送、大容量通信という利点があります。コヒーレント技術は、光通信システムの伝送容量をさらに高い水準へと引き上げます。

コヒーレント光通信の定義

コヒーレント光通信は、送信機でコヒーレント変調を、受信機でコヒーレント検出技術を使用します。従来のIM/DD通信システムと比較して、コヒーレント光通信は、より長い伝送距離とより優れた通信品質を実現します。

次の図は、コヒーレント光通信の基本的な動作原理を示しています。送信側では、外部変調を使用して、信号を振幅変調、位相変調、または周波数変調の形式で光搬送波に変調し、送信します。受信側では、信号を光ミキサー上で局部発振（局部光発振器によって生成された光信号）と混合し、平衡型検出器で検出します。最後に、デジタル信号処理（DSP）によって信号を処理して出力します。

コヒーレント光通信の動作原理

次の表は、非コヒーレント光通信とコヒーレント光通信の主な違いをまとめたものです。

コヒーレント光学と非コヒーレント光学

コヒーレント光通信の利点

• 受信機の感度を向上させます。 コヒーレント光通信システムでは、コヒーレント混合後の出力光電流は、信号光パワーと局部発振器光パワーの積に比例します。局部発振器のパワーは信号光のパワーよりはるかに大きいため、出力光電流が大幅に増加し、それに応じて検出感度も向上します。同一条件下では、従来のインコヒーレント光通信と比較して、コヒーレント光通信の受信機は感度を20dB向上させることができ、これは従来のインコヒーレント光通信の100倍に相当します。

• より長距離の伝送を可能にします。 受信感度の向上により、中継器なしの伝送距離を数十キロメートルから数千キロメートルに延長できます。

• 複数の変調方式。 従来の光通信システムでは、変調方式は強度変調の1種類しかありません。しかし、コヒーレント光通信では、振幅変調に加えて、PSK、DPSK、QAMなども使用できるため、用途に柔軟性がもたらされます。さらに、従来の光受信機は光パワーの変化にのみ応答しますが、コヒーレント検波では、振幅、周波数、位相、偏波状態によって伝送されるすべての情報を検出できます。 

• 強力なDSPテクノロジー。 コヒーレント技術では、デジタル信号処理（DSP）を使用して光ファイバー回線の分散、偏波モード分散（PMD）、および非線形効果を均衡化・補償し、回線分散耐性とROADMフィルター耐性を向上させることで、超長距離伝送における中継を最小限に抑えることができます。

コヒーレント光技術

コヒーレント光技術の主な特性は次のとおりです。

• 外部変調技術: 半導体レーザーの光キャリアの特定のパラメーターを直接変調すると、常に他のパラメーターに寄生振動が発生します。例えば、ASK直接変調には位相変化が伴い、変調度が制限されます。したがって、コヒーレント光通信システムでは、注入電流を直接使用して周波数変調できるFSKを除き、その他の方式はすべて外部光変調を使用します。

• 偏波保持技術: 良好な混合効果を得て受信感度を向上させるため、コヒーレント光通信システムでは、信号光と局部発振光の偏波方向を一致させる必要があります。シングルモードファイバーを介した長距離伝送後の偏波状態はランダムになります。そのため、偏波保持ファイバー、偏波コントローラー、偏波ダイバーシティ受信など、多くの偏波制御方法が提案されています。

• 周波数維持技術： コヒーレント光通信では、半導体レーザーの周波数安定性が非常に重要です。レーザーの周波数は、動作温度と電流の変化に非常に敏感です。動作条件の違いによってレーザーの周波数がドリフトすると、if電流に影響し、その結果、ビット誤り率が上昇します。

• スペクトル圧縮技術： 光源のスペクトル幅もコヒーレント光通信において非常に重要です。FMノイズが受信感度に及ぼす影響を克服するには、光波の線幅を狭く保つ必要があります。線幅が狭いほど、位相シフトによって生じる位相ノイズは小さくなります。

コヒーレント光トランシーバー

コヒーレント光トランシーバーは、長距離バックボーンネットワークおよびメトロポリタンエリアネットワーク（MANs）向けの主要なソリューションです。当初、コヒーレント光トランシーバーにはCFPフォームファクターが採用され、CFP-DCO（デジタルコヒーレント光学）とも呼ばれていました。CFP-DCOコヒーレントトランシーバーの幅は82mmで、最大消費電力は24Wに達します。しかし、低消費電力、小型フォームファクター、より高いデータレート、低コストは常に光通信が追求する目標であるため、CFP2コヒーレント光トランシーバーが開発されました。これはCFP2-ACO（アナログコヒーレント光学）とも呼ばれます。幅は41.5mで、最大消費電力は12Wです。技術の進歩が止まることはありません。近年では、次の図に示す400G OSFP DCOやQSFP-DD DCOなど、より小型で高速かつ低消費電力のフォームファクターが登場しています。

要約すると、コヒーレント光モジュールの開発動向は次のようにまとめられます。

• 高速： 100G/200gから400G、さらには800Gまで。

• 小型化: 100G MSAからCFP/CFP2DCO/ACOへ。現在では、400G OSFP DCOおよびQSFP-DD DCOも導入されています。

• 低消費電力: システム全体の消費電力要件を考慮し、例えば、QSFP-DDフォームファクターのコヒーレント光モジュール製品の消費電力は15W未満に抑えられています。

• 標準化と相互接続: 従来、各種機器メーカーは独自に開発した専用インターフェースボードを使用し、独自の高次変調方式とFECアルゴリズムを採用していたため、異なるメーカーのインターフェースを相互接続できませんでした。コヒーレント光モジュールの相互接続は、業界の将来の方向性です。

コヒーレント光モジュールは、今後数年間で爆発的な成長を遂げるでしょう。QSFPTEKはコヒーレント光ソリューションおよびトランシーバーを提供しています。www.qsfptek.comをご覧いただき、QSFPTEKのテクニカルサポートまでお問い合わせください。