光モジュール

光モジュールは、一般的にはホットプラグ可能な光トランシーバで、高帯域幅データ通信アプリケーションで使用されます。光モジュールには通常、システム内部に接続する側に電気インターフェイスがあり、光ファイバー ケーブルを介して外部に接続する側に光インターフェイスがあります。フォーム ファクタと電気インターフェイスは、多くの場合、マルチソース アグリーメント(MSA) を使用して関係団体によって指定されます。光モジュールは、フロント パネル ソケットまたはオンボード ソケットに差し込むことができます。光モジュールは、外部とのアクティブまたはパッシブな電気接続を実装する電気インターフェイス モジュールに置き換えられることもあります。大規模な産業が光モジュールの製造と使用をサポートしています。

長年にわたって使用されてきた光モジュールの電気インターフェースには、さまざまなバリエーションがあります。

最も初期の形態の光モジュールには、アナログNRZ電気インターフェイスがありました。送信方向では、光モジュールはフロント システム カードから送られるアナログ信号を使用してレーザーまたは LED を直接駆動します。受信方向では、モジュールはアナログ光電気受信回路の出力を使用して受信電気インターフェイスを直接駆動します。

速度が上がるにつれて、電気インターフェースはリタイムされたデジタルインターフェースに変更されました。光インターネットワーキングフォーラム（OIF）によって定義された共通電気インターフェース（CEI）^[1]は、これらのインターフェースの中心的な定義文書として機能しました。IEEE 802.3イーサネットワーキンググループも、モジュールインターフェースの定義に影響を与えてきました。

モジュール内の電力を節約するために、CEI などのデジタル インターフェイス定義を使用しながら、モジュール内の信号を再タイミングしない光モジュールが作られました。これらのモジュールは、両端の間にアナログ接続を提供しました。

光インターネットワーキングフォーラムは2016年にCFP2-ACOまたはCFP2 - アナログコヒーレント光学モジュール相互運用性協定（IA）を公開しました。このIAは、デジタル信号プロセッサ（DSP）がメインボード上にあり、アナログ光コンポーネントがモジュール上にある構成をサポートしています。このIAは、DSPがモジュールの電力エンベロープを超える場合に役立ちます。^[2] ACOインターフェイスは、リンクがシステムに柔軟な量の帯域幅を提供する場合、たとえばFlexEと組み合わせた場合に、コヒーレント光学アプリケーションで使用できます。最初のACO IAはCFP2モジュール用です。使用される一般的な光変調には、デュアル偏波直交位相シフトキーイング（DP-QPSK）とQAM-16があります。

これらのモジュールは DSP をモジュール上に搭載し、従来のリタイム デジタル インターフェイスを使用します。これらのモジュールは、ACO インターフェイスと同じ光変調技術を使用できます。

光モジュールでは、さまざまな形式の光変調および多重化が採用されてきました。

歴史的に最も一般的な変調技術は、オンオフ変調または NRZ でした。パルス振幅変調(PAM-4) も広く使用されてきました。

2010 年代には、コヒーレント光変調が使用されるようになりました。その技術には、デュアル偏波 4 位相シフト キーイング(DP-QPSK) やQAM-16などがあります。

チューナブル レーザーは、光メッシュ ネットワークや再構成可能な光アドドロップ マルチプレクサ(ROADM)で特定のケースに必要な、さまざまな形式のネットワーク ベースの光スイッチングをモジュールでサポートできるようにするために使用されることがあります。これらの場合、送信レーザーは異なる光周波数/波長に調整できます。同様に、受信機は異なる光周波数を受信できます。

光の異なる光波長 (ラムダとも呼ばれる) は、波長分割多重(WDM) を使用して一部の光モジュールで多重化されます。そのバリエーションには、粗い WDM (CWDM)、高密度 WDM (DWDM) などがあります。

光モジュールには内部に一連のコンポーネントがあり、その一部は標準開発組織から注目を集めています。

多くの場合、光インターフェースのボーレートは、電気インターフェースのボーレートと等しくありません。このような場合、モジュール内でギアボックスを使用して 2 つのレートを変換します。たとえば、モジュールが 4 x 25 Gb/s 電気入力と 2 つの波長の 50 Gb/s 光インターフェースをサポートしている場合、ギアボックスは 25 GBaud と 50 GBaud の間で変換する必要があります。

特に長距離モジュール市場では、モジュール内の前方誤り訂正(FEC) が組み込まれています。これは、独自の形式と標準ベースの形式の両方で行われています。

OIFは、特にコヒーレント伝送に重点を置いた一連のモジュール内コンポーネントのマルチベンダー相互運用性を確立するための相互運用性協定を締結しました。これには以下が含まれます。

• 高帯域幅集積偏波多重直交変調器^[3]
• 統合偏波多重直交変調送信機^[4]
• 統合型デュアル偏波マイクロイントラダインコヒーレント受信機^[5]

OIFは、光モジュールで使用されることがある波長可変レーザーの複数ベンダー間の相互運用性を確立するための相互運用性協定を締結しました。これには以下が含まれます。

• 統合型チューナブルレーザーアセンブリマルチソースアグリーメント^[6]
• マイクロインテグラブルチューナブルレーザーアセンブリ実装契約^[7]

光モジュール内の送信光サブアセンブリ（TOSA）は、電気信号を光送信機用の光信号に変換します。^[8]

光モジュールは、外部とのアクティブまたはパッシブの電気接続を実装する電気インターフェイス モジュールに置き換えられることがあります。これは、リンクが短い場合、特にラック上部のスイッチに接続する場合に使用されます。

光モジュール業界では、長年にわたって 多くのマルチソース契約(MSA) が生まれては消えていきました。

小型フォームファクタ プラガブル トランシーバ(SFP) MSA は、長年にわたって多くの光モジュール フォーム ファクタを指定してきました。

• 小型フォームファクタ プラガブル トランシーバ(SFP)
• QSFP - クアッドSFP ^[9]
• QSFP28 - 4 x 28 Gb/sインターフェース^[10]
• QSFP-DD - 倍密度 QSFP
• マイクロQSFP
• OSFPトランシーバー- わずかに大きい400GbEトランシーバー規格

Cフォームファクタプラガブル（CFP）は、高速デジタル信号伝送用の共通フォームファクタを求める競合メーカー間のMSAです。名前の文字「C」は、100ギガビットイーサネットシステム用に開発された規格であるため、数字100（ centum ）を表すラテン文字Cを表しています。^[11]

元の CFP 仕様は、10 Gbit/s 信号が 25 Gbit/s 信号よりはるかに実現可能だった時代に提案されました。そのため、100 Gbit/s ライン レートを実現するには、10 レーンの 10 Gbit/s をベースにしたソリューションが最も手頃でした。しかし、予想どおり、テクノロジの進歩により、より高いパフォーマンスと高密度が実現しました。そのため、CFP2 仕様と CFP4 仕様が開発されました。電気的には類似していますが、元の仕様のそれぞれ 1/2 と 1/4 のサイズのフォーム ファクタが指定されています。CFP、CFP2、CFP4 モジュールは互換性がありません (ただし、適切なコネクタを備えた光インターフェイスでは相互運用可能です)。

• C フォームファクタ プラガブル(CFP)
• CFP2
• CFP4
• CFP8

XENPAK MSA は 2001 年 3 月 12 日に公表され、その最初の改訂版は 2001 年 5 月 7 日に公表されました。これは、Agilent TechnologiesとAgere Systemsが主導したマルチソース契約(MSA) であり、電気電子技術者協会(IEEE) 802.3 ワーキング グループの10 ギガビット イーサネット(10GbE) 規格に準拠する光ファイバーまたは有線トランシーバーモジュールを定義しています。XENPAK は、同じ機能を提供するよりコンパクトなデバイスに置き換えられました。MSA の最新改訂版である Issue 3.0 は、2002 年 9 月 18 日に発行されました。その結果、802.3ae 10GbE に対して当時 IEEE によって定義されたすべての物理メディア依存 (PMD) タイプがカバーされました。^{[12] 2001 年に規格が導入されて間もなく、XPAK と}X2 という2 つの関連規格が登場しました 。これら 2 つの規格は、XENPAK ( XAUIとして知られる) と同じ電気的インターフェースを備えていますが、機械的特性は異なります。

XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) は、光ファイバーを使用する高速コンピュータ ネットワークおよび通信リンク用のトランシーバーの標準です。2002 年に業界団体によって、他の電気部品とのインターフェイス(XFIと呼ばれます) とともに定義されました。XFP は、一般的なSmall Form Factor Pluggable トランシーバーSFP および SFP+よりもわずかに大きいフォーム ファクターです。

光インターネットワーキング フォーラムは長距離光学用のモジュールを定義しました。他のほとんどの光 MSA はデータ センター市場に重点を置いています。

• CPAK - シスコ固有のモジュール^[13]

最近の傾向として、プラグ可能なモジュールをフロント パネルではなく プリント基板の上に配置することが挙げられます。2 つの MSA がこの市場向けの実装契約に取り組んでいます。

オンボード光学連合（COBO）は、フロントパネルではなくボードの中央に配置された光インターフェースの標準化の拠点を提供するために2014年に設立されました。^[14]

• MSA 5″×7″ (第1世代)
• MSA 4″×5″ (第2世代)

複数の標準規格で光モジュールが使用されています。これらの代表的な標準規格のいくつかについて、以下で説明します。

InfiniBand（略称IB）は、高性能コンピューティングで使用されるコンピュータネットワーク通信規格であり、非常に高いスループットと非常に低いレイテンシを特徴としています。コンピュータ間およびコンピュータ内のデータ相互接続に使用されます。InfiniBandは、サーバーとストレージシステム間の直接またはスイッチ相互接続、およびストレージシステム間の相互接続としても使用されます。Infinibandは光モジュールを広く使用します。^[15]

ファイバーチャネル（FC）は、主にコンピュータデータストレージをサーバーに接続するために使われる高速ネットワーク技術（通常、1、2、4、8、16、32、128ギガビット/秒の速度で動作する）です。ファイバーチャネルは、主に商用データセンターのストレージエリアネットワーク（SAN）で使用されます。ファイバーチャネルネットワークは、 1つの大きなスイッチとして連動して動作するため、スイッチファブリックを形成します。ファイバーチャネルは通常、データセンター内およびデータセンター間の光ファイバーケーブル上で動作します。ファイバーチャネルは、光モジュールを広く使用します。^[16]

イーサネットは、ローカル エリア ネットワーク (LAN)、メトロポリタン エリア ネットワーク (MAN)、ワイド エリア ネットワーク (WAN) で一般的に使用されているコンピュータ ネットワーク テクノロジのファミリです。イーサネットでは、高速インターフェイスで光モジュールが広く使用されています。光モジュールで一般的に実装されている代表的なインターフェイスには、100GBASE-SR4、100GBASE-LR4、100GBASE-ER4 などがあります。

大型光モジュール業界の主要な見本市は、南カリフォルニアで毎年開催される光ファイバー カンファレンス (OFC) です。この業界のその他の有名な展示会としては、ヨーロッパの ECOC や日本の FOE などがあります。

• CXP（コネクタ）

• CFP委員会ウェブサイト
• OIF実施協定