知識

コヒーレント光学とは何ですか?

コヒーレント光学系は、単に光のオンとオフを切り替えるのではなく、光波の-振幅、位相、偏光-の複数の特性を利用してデータをエンコードする光ファイバー テクノロジーです。あコヒーレント光通信このシステムは、送信機での高度な変調と、独自のレーザーを使用して受信信号の完全な情報内容をデコードする特殊な受信機を組み合わせています。従来の方法と比較して、コヒーレント光伝送は容量と到達距離の両方を大幅に向上させます。そのため、今日の事実上すべての高速長距離ファイバー リンクはコヒーレント テクノロジーに依存しています。- 1 本のガラス ファイバーが海を越えて、またはデータセンター間でテラバイトのデータをどのように伝送するか-、これがコヒーレント光です。このガイドでは、テクノロジーがどのように機能するか、何が「一貫性」をもたらすのか、どこで使用され、どこへ向かうのかについて説明します。

コヒーレント光学の本当の意味

「コヒーレント」という言葉は、受信機が光信号を検出する方法を指します。-これがまさに違いますコヒーレント光学系これまでのすべての光学技術から。

従来のファイバー システムは直接検出（一般に強度変調直接検出、つまり IM-DD として知られています）を使用します。-受信側の光検出器は単純に入射光の明るさを測定します。明るいとは 1、暗いとは 0 を意味します。単純ではありますが、この方法では、光波が運ぶことができる情報のほとんどが破棄されます。-特にその位相と偏光です。

コヒーレント システムでは、受信機には局部発振器と呼ばれるレーザーが含まれています-コヒーレント光源基準波を生成し、それを入力信号と混合します。両方の波が生成するため、コヒーレント光-周波数と位相において安定した予測可能な関係があることを意味します-その干渉パターンにより、信号の明るさだけでなく、正確な位相と偏光状態も明らかになります。受信機は光フィールド全体を回復し、直接検出ではアクセスできない情報の次元を解放します。

これが基本的な利点です。コヒーレント光学の他のすべての利点-大容量、長距離到達、シンプルなネットワーク設計-は、光波にエンコードされた完全な情報を読み取るこの機能から生まれます。

コヒーレント光学システムの仕組み

送信機: コヒーレント変調の動作

送信機では、波長可変レーザーが特定の波長で細く安定した光ビームを生成します。その後、変調器が実行します。コヒーレント変調データをこのビームにインプリントし、3 つのプロパティを同時に操作します。

振幅- 波の強さはオン/オフだけでなく、複数のレベルに設定できます。

段階- 波サイクル内のタイミング位置は、定義された角度 (0 度、90 度、180 度、270 度など) にシフトされ、それぞれが異なるデータ パターンを表します。

分極- 光は 2 つの直交する方向 (水平と垂直) に分割され、それぞれが独立したデータ ストリームを伝送します。これコヒーレント光偏光偏波多重化と呼ばれる技術により、単一波長の容量が 2 倍になります。

振幅、位相、偏波エンコードを組み合わせることで、シンボルと呼ばれる単一のパルスで一度に複数ビットのデータを伝送できます。これは、オンオフ キーイングで達成できるシンボルあたり 1 ビットをはるかに超えています。-

受信機: コヒーレント光検出とデジタル復元

ファイバーのもう一方の端では、コヒーレント検出コヒーレント受信機が受信信号を混合します。コヒーレント信号局部発振レーザーを使用します。この干渉プロセスにより、送信機からの振幅、位相、偏波情報を保存する電気信号が生成されます。高速-アナログ---デジタル コンバータがこれらの信号をサンプリングし、コヒーレントデジタル信号プロセッサ (DSP) は後続の処理を処理します。

DSP はいくつかの重要な機能を実行します。 2 つの偏波チャネルを分離します。色分散を追跡し、補償します。-異なる波長の光がわずかに異なる速度でファイバーを通過し、パルスが長距離に拡散する現象です。また、リンク内の物理的な補償ハードウェアを使用せずに、偏波モード分散やその他のファイバー障害を数学的にリアルタイムで補正します。

DSP と並行して実行される前方誤り訂正 (FEC) アルゴリズムは、信号に冗長データを埋め込むため、受信機は再送信せずにエラーを検出して修復できます。高度な軟判定 FEC は、コヒーレント システムのノイズ耐性を、以前のテクノロジーが達成できたレベルをはるかに超えています。-

ネットワーク オペレータにとっての最終的な効果は、各リンクの分散補償を手動で調整することなく、新しいファイバ ルートをアクティブ化できることです。物理機器が削減され、ネットワーク設計が簡素化され、運用コストが削減されます。

コヒーレントオプティクスがより多くのデータを提供する仕組み

容量の利点コヒーレント光通信各シンボルが伝送するビット数と、利用可能な光スペクトルがどの程度効率的に使用されるかによって決まります。

従来のオンオフ キーイング（OOK）では、すべてのシンボルが正確に 1 ビットを運びます。最初に広く導入されたコヒーレント フォーマット-デュアル偏波-偏波直交位相シフト キーイング (DP-QPSK)-は、シンボルあたり 4 ビットをエンコードします。これは、同じボーレートの 4 倍です。高次のフォーマットはさらに前進します。16QAM はシンボルあたり 8 ビットを伝送し、64QAM は 12 ビットを伝送します。トレードオフとして、高密度のフォーマットはよりクリーンな信号（より高い光信号対ノイズ比）を必要とし、より短い距離で動作するため、通信事業者は各リンクの長さと状態に最適なフォーマットを選択します。

スペクトル効率

スペクトル効率-光スペクトル単位あたりの使用可能なデータ スループットの量-も重要な指標です。初期の 10G 直接検出システムでは、ヘルツあたり約 0.2 ビット/秒を達成しました。{4}}最新のコヒーレント システムは、日常的に 5 ～ 6 b/s/Hz を超えています。これは、同じファイバーとアンプのインフラストラクチャで 25 ～ 30 倍のデータを伝送できることを意味します。 80 以上のチャネルを持つ高密度波長分割多重 (DWDM) システム全体では、単一のファイバー ペアの総容量は毎秒数十テラビットに達する可能性があります。

コヒーレント光モジュール: 内部の様子

A コヒーレント光トランシーバーネットワーク スイッチまたはルーターに接続する自己完結型モジュールです。-片面にはファイバーに接続する光インターフェースがあります。もう 1 つは、ホスト システムのデータ プレーンに接続する電気インターフェイスを備えています。内部の主要コンポーネントには、波長可変レーザー、光変調器、局部発振器を備えたコヒーレント受信機、変調、復調、障害補償、FEC を処理する DSP チップが含まれます。

過去 10 年にわたり、これらのコンポーネントは継続的に小型化され、さらに小型化されてきました。コヒーレントなプラグ可能フォームファクター。初期のコヒーレント ラインカードはシャーシ スロット全体を占有していました。今日のコヒーレントトランシーバーQSFP-DD や OSFP- などの標準インターフェースを使用するため、高いポート密度でルーターの前面パネルに直接接続できるほどコンパクトです。たとえば、単一の QSFP- DD コヒーレント モジュールは、単一波長で最大 400G のスループットを提供します。次世代の OSFP モジュールは 800G 以上をターゲットとしています。-

この進化には標準化が不可欠でした。 Optical Internetworking Forum (OIF) はコヒーレント プラガブル モジュールの相互運用性協定を定義し、IEEE 802.3ct 標準は 400G コヒーレント波長がイーサネットとインターフェイスする方法を指定します。これらの標準により、オペレータは同じネットワーク上で異なるベンダーのモジュールを混在させることができます。

コヒーレント光学の応用

データセンター相互接続

ハイパースケール クラウドおよび AI オペレーターは、数キロメートルから 120 キロメートル以上の範囲の距離にわたってデータ センターを接続します。 400G ZR/ZR+を標準化コヒーレントなプラグ可能モジュールはルーターのポートに直接取り付けられるため、個別の光トランスポート プラットフォームの必要性がなくなり、大規模な導入と運用の両方が簡素化されます。{0}

通信バックボーン: メトロから長距離まで-

通信事業者が依存しているのは、コヒーレント光通信すべての層にわたって、-中央オフィス間の地下鉄リンク、数百キロメートルにわたる地域リンク、大陸横断長距離路線-}を実現します。 5G ネットワークの高密度化によりバックホール帯域幅の需要が高まる中、コンパクトなコヒーレントトランシーバーセルサイトの集約にも利用されています。{0}

海底ケーブル

大陸間のデータは、海底ファイバー システムを介して伝送されます。このシステムでは、極端な到達距離、ファイバー ペアあたりの最大容量、修理に非常に費用がかかる環境での高い信頼性が求められます。-コヒーレント光学系同時に満たすことができます。

コヒーレントオプティクス、PAM4、およびDWDM

Coherent vs. PAM4: 補完的で競合しない

PAM4 (4- レベルのパルス振幅変調) は、データセンター内の-短距離接続-、シンプル、低消費電力、コスト効率に優れています。- 4 つの輝度レベルを使用してシンボルごとに 2 ビットをエンコードしますが、分散補償が組み込まれていないため、実用的な到達距離はおよそ 10 ～ 30 km になります。コヒーレント光通信通信範囲は数百キロメートル、さらには数千キロメートルにまで及びますが、その代償としてより高い出力とより複雑な作業が必要となります。この 2 つは明確な役割分担を行っています。短距離リンクには PAM4、長距離リンクにはコヒーレントを使用します。-コヒーレント プラガブルが小型化され、電力効率が向上するにつれて、それらの間の境界は内側に移動し続けています。-

コヒーレント DWDM: コヒーレント光が活用するフレームワーク

高密度波長分割多重 (DWDM) は、単一のファイバーを通じて数十の波長を同時に送信し、それぞれが独自のデータ ストリームを伝送します。コヒーレント光トランシーバー各波長が伝送するデータ量を決定します。で筋の通ったDWDMシステムでは、2 つのテクノロジーは補完的です。DWDM はチャネルを提供し、コヒーレント変調それらを満たします。コヒーレント モジュールがチューナブル レーザーを使用する場合、送信波長を DWDM グリッド上の任意のチャネルに設定できるため、オペレータはネットワーク全体のルーティングや容量の再構成を柔軟に行うことができます。

2026 年以降のコヒーレント光学

バックボーンからメトロ、エッジまで

2026 年までに、コヒーレント光トランシーバー長距離伝送から、5G による-長距離伝送、{0}}メトロ ネットワーク、データセンター相互接続（DCI）、エッジ コンピューティング-へと急速に拡大しています。-高度なトラフィックの増加、分散型 AI ワークロード、企業の帯域幅需要の増大。

800G ZR/ZR+コヒーレントなプラグ可能モジュールは現在、二重の役割を果たしています。1,700 km を超える長距離をカバーしながら、40 ～ 120 km の地下鉄リンクでのビットあたりのコストも削減します。{0}}一方、高出力 100G コヒーレント モジュールは、メトロ ネットワーク設計を再構築しています。-より強力な送信出力と低損失ファイバの組み合わせにより、120 km にわたる非増幅伝送が可能になり、中間増幅器が不要になり、構築コストと運用コストの両方が削減されます。-

エッジ コンピューティングがこの変化を加速させています。 AI 推論が分散ノードに移行するにつれて、コア データセンターとエッジ サイト間の接続には、PAM4 がそのような距離では提供できない帯域幅が必要になります。コンパクト、低電力-コヒーレントトランシーバーは、これらのリンクの自然な構成要素になりつつあります。

業界の勢い

800G コヒーレント モジュールの出荷量は、主に北米の通信事業者とハイパースケール DCI 需要によって促進され、2025 年のコヒーレント総量の 5% 未満から 2026 年末までに約 30% に増加すると予測されています。 OFC 2026 で、OIF は、400ZR および 800ZR プラガブル モジュールのマルチベンダー相互運用性を実証しました。これにより、エコシステムが大規模なベンダー中立の導入をサポートしていることが確認されました。{11}{12}

今後を見据えて、次世代 DSP シリコンで毎秒 1.6 テラビット-のコヒーレント システムが開発中です。-軌道は一貫しています: より速く、より小さく、より低いパワーで-伸びますコヒーレント光学系ネットワーク コアからネットワーク エッジまで。