GE-PON OLT/ONU 一芯光トランシーバの開発 田中 貴之 井上 美奈子 一方，PONシステムは，数年前からFTTxに適用されて 近年，インターネットの普及とともに，通信システム の高速化・経済性の追求が重要な課題となっており，装 きた低価格光加入者用アクセス方式の一つであり，図1に 置のインタフェースとなる光送受信モジュールの大容量 示すように局側装置（OLT）と光加入者側端末（ONU） 化・低価格化の達成が急務である。加入者系高速サービ を光ファイバと光カプラで接続された1対Nの伝送を基本 スとして，大容量のデータを伝送できるギガビットのPON としている。これにより局側装置と光ファイバを全加入 （Passive Optical Network）が注目されており，今回 者でシェアし，全体的なインフラコストを抑えることが できる。PON方式で代表的なものは標準化団体「FSAN GigaEther-PON（以下GE-PON）用OLT/ONUの光伝 （Full Service Access Network） 」が規格化したもので 送モジュールを開発したので報告する。 ある2）。そのPON技術にEthernet技術を採用することで， システム概要 数多くの機器との接続親和性を向上させ，さらにギガ マルチメディアへの関心が高まる中，加入者系および ビット級の伝送容量を配することで，全加入者をシェア 基幹系通信ネットワークの高速広帯域化が求められてお しても十分な帯域を保証できるメリットがある。このPON り，光ファイバを伝送路とするシステムの需要が増大し の物理層として1Gbit/s Ethernet伝送技術を活用するこ ている。装置のインタフェースとなる光送受信モジュール とが，IEEE802.3ahで検討されている3）。 は，光通信システムのキーデバイスであり，その要求は 今回，このような市場の動向を受け，かつバースト送 高い。 受信技術をギガビットという高速化まで適用し，世界に 当社では，加入者系光伝送システムとして早くからPON 先駆けGE-PON用OLT/ONU光伝送モジュールを開発 用光伝送モジュールの開発に取り組んでおり，ATM-PON した。本稿ではそれらOLT/ONU光伝送モジュールの概 （以下APON）用OLT/ONU光伝送モジュール1）は各方面 要・特性について述べる。 から高い評価を得てきた。 1 Down：連続信号 1 11 2 22 33 44 局 -- NN 2 加入者 11 N N 22 33 -- メトロ/アクセス メトロ/アクセス N N Up：バースト信号 Up：バー 局 局 PONアクセス PONアクセス 加入者 加入者 図1 100 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 GE-ONU光伝送モジュールの主要緒元 ネットワーク特集 ● 表1 GE-ONU光伝送モジュールの主要緒元 伝送速度 種別 伝送距離［km］ 発光素子 1.2500Gbit/s ONU-AF 10 ONU-AD 20 ONU-BF 10 ONU-BD 20 FP DFB FP DFB 平均送信電力［dBm］ −3.0∼+1.0 −3.0∼+1.0 ±0.0∼+4.0 ±0.0∼+4.0 1280 ∼ 1350 発光波長［nm］ Burst信号 送信モード 最大受光電力［dBm］ −2.0 最小受光電力［dBm］ −24.0 1480 ∼ 1580 受光波長［nm］ 受信モード 連続信号 0 ∼70 周囲温度［℃］ 写真1 GE-ONU光伝送モジュール（上） 電源電圧 +3.3V±5% 外形寸法 60×40×11mm GE-OLT光伝送モジュール（下） PD LD DATA IN LD Driver BIAS IN SHUT IN 1310nm Temp. Compensation TF 1490nm OPT I/O 1310/1490nm WDM ALM PD DATA OUT Limiter LOS Pre-amp 図2 GE-ONU光伝送モジュールのブロック図 ONU光伝送モジュールのブロック図を図2に示す。送信 ONU光伝送モジュールの概要 部は，LD（Laser Diode）とバースト送信用LD駆動回路 ONU光伝送モジュールは，光加入者端末に設置される IC，LD電流制御回路ICで構成している。通常のLD駆動で 光伝送モジュールであり，PON方式では，他のONUと衝 はフィードバッグ制御のため光バースト信号の先頭部が 突しないようにバースト送信が要求される。当社では 突出し，不安定となる性質がある。このため，バースト APON用ONU光伝送モジュールで培ったバースト送信技 送信用LD駆動回路ICは，バースト信号の1ビット目から 4） 術 を1.25Gbit/sまで高速化に適用させ，GEPON-ONU 立ち上げるため，プリバイアス駆動回路内蔵のフィード 光伝送モジュールを開発した。写真1にその外観を示す。 フォワード型LD駆動方式を採用している。またLDの発光 開発したGEPON-ONU光伝送モジュールは，その用途 を強制的にシャットダウンするSHUTDOWN機能，LDの によって種別を設けている。各伝送距離とPONネット 発光状態が劣化したときに発生するTF（Transmission ワークの最大損失量を考慮に入れ，適用領域を検討した。 Failure）警報発出回路，そして電源電圧がある一定値以 表1にその主要緒元を示す。 下に下がると同様にLDの発出をシャットダウンする電源 光ファイバの波長分散ペナルティにより10km伝送に関 しては，FP（Fabry-Perot）-LDを，20km伝送に関して は，DFB（Distributed FeedBack）-LDを採用した。 監視機能も有している。 受信部は前置増幅器内蔵PIN-PDアンプ，識別ICで構成 しており，LOS（Loss of Signal）警報発出機能を有し 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 101 最適化により対処している。 ている。 光部品はBIDI（Bi-directional）モジュールを採用し， OLT光伝送モジュールの概要 LD，PD一体型の一芯双方向伝送を実現した。送受の光ア イソレーションは，WDMフィルタにより，30dB以上を OLT光伝送モジュールは，局側装置に設置される光モ ジュールであり，各ONU光伝送モジュールから送出され 確保している。 た各々光レベルの異なるバースト光信号を受信すること ONU光伝送モジュールの特性 図3にONU光伝送モジュールのベッセル-トムソンフィ が要求される。APON-OLT光伝送モジュールで培った バースト受信技術5）を1.25Gbit/sまで高速化に適用し， ルタ通過後の光送信波形を示す。消光比は14dBであり， IEEE802.3ahのアイマスク規定を十分満たす良好な波形 10-4 が得られている。 25deg. 25deg. 0deg. 0deg. 70deg. 70deg. 5 図4に光出力のバースト信号を示す。バースト信号の 1ビット目から光信号が立ち上がる良好な結果が得られて 2 いる。 10-5 図5にONU光伝送モジュールの符号誤り率特性を示す。 主要緒元に示す最小受光電力規格値（1×10 以下）に対 して，十分にマージンのある良好な特性を得ている。ま た送受同時動作時におけるクロストークは，実装構造の 5 Bit Error Rate -12 2 10-6 5 2 10-7 5 2 10-8 5 2 10-9 5 2 10-10 5 2 10-11 5 2 105-12 2 10-13 −30 100ps/div 図3 GE-ONU光出力波形 −29 −28 −27 −26 −25 Received Power［dBm］ 図5 GE-ONU符号誤り率特性 2ns/div PON（Passive Optical Network） 光ファイバの途中に光カプラを設けて伝送路を2∼ 32本に分岐させたスター型ネットワーク。 ATM（Asynchronous Transfer Mode） 音声やコンピュータのデータなど，全てのデータを 53バイトの小さなセルに分割して送るデータ通信方 式。 BIDI（Bi-directional）モジュール 上り下りで異なる波長帯を内蔵のWDM（波長多重） フィルタで分波する一芯双方向光部品モジュール。 図4 GE-ONUバースト光出力 102 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 ネットワーク特集 ● ギガ帯バースト受信を実現させた。写真1（p.101）に外観 バースト受信用ATC（Automatic Threshold Control） を示す。 回路IC，APDバイアス電源回路で構成されている。バース OLT光伝送モジュールはPONネットワークの最大損失 ト受信用ATC回路ICは，フィードフォワード型自動識別回 量によってA-type，B-typeで種別化した。なお最大伝送 路を採用しており，各バースト間に規定のリセット信号を 距離は，ともに20kmを許容している。表2にその主要緒 入力することにより，高速に，かつ正確にバースト信号の 元を示す。A-type，B-typeは，各々ONUのAx，Bxに対 閾値レベルを検出し，信号再生を可能としている。 光部品はONU同様，BIDIモジュールを採用しており， 向することにより，ネットワークの最大損失量をカバー 送受の光アイソレーションは，WDMフィルタにより， するよう，光レベルを設定している。 OLTモジュールのブロック図を図6に示す。送信部は， 30dB以上を確保している。 LDとLD駆動回路ICで構成しており，LD駆動回路ICは OLT光伝送モジュールの特性 APC（ Automatic Power Control） 回 路 ， TD （Transmission Degrade）警報発出機能，およびTF警 図7にOLT光伝送モジュールのベッセル-トムソンフィ 報発出機能を内蔵している。また，LDの発光を強制的に ルタ通過後の光送信波形を示す。消光比は11Bであり， シャットダウンするSHUT機能も有している。 IEEE802.3ahのアイマスク規定を十分満たす良好な波形 受信部は，バースト受信用前置増幅器内蔵APDアンプ， が得られている。 PD LD DATA IN LD Driver SHUT IN 1490nm TD APC OPT I/O 1310nm/1490nm WDM 1310nm TF APD RESET IN DATA OUT ATC Pre-amp 図6 GE-OLT光伝送モジュールのブロック図 表2 GE-OLT光伝送モジュールの主要緒元 伝送速度 種別 伝送距離［km］ 発光素子 平均送信電力［dBm］ 1.2500Gbit/s OLT-A OLT-B 20 20 DFB DFB −3.0∼+1.0 +2.0∼+6.0 1480 ∼ 1500 発光波長［nm］ 送信モード 連続信号 最大受光電力［dBm］ −14.0 最小受光電力［dBm］ −24.0 −16.0 −26.0 受光波長［nm］ 1260 ∼ 1360 受信モード バースト信号 周囲温度［℃］ 100ps/div 0 ∼ 70 電源電圧 +3.3V±5% 外形寸法 70×50×9.5mm 図7 GE-OLT光出力波形 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 103 10 -4 25deg. 25 0deg. 0deg. 70deg. 5 2 -16dBm Bit Error Rate 10 -5 5 -26dBm 2 10 -6 5 2 10 -7 10 10ns/div 5 2 10 -8 図9 GE-OLT入力光バースト信号 5 2 10 -9 5 2 10 -10 5 2 10 -11 5 2 10 -12 5 2 10 -13 −30 −29 −28 −27 −26 −25 Received Power［dBm］ 図8 GE-OLT符号誤り率特性 図8にOLT光伝送モジュールの符号誤り率特性を示す。 10ns/div 10 主要緒元に示す最小受光感度（B-type，1×10-12以下） に対して十分にマージンのある良好な特性を得ている。ま た送受同時動作時におけるクロストークは，ONUと同様， 図10 GE-OLT出力電気バースト信号 実装構造の最適化により対処している。 図9にバースト光入力信号，図10にそれらを再生した に対し，本稿で述べたGE-PON用OLT/ONU光伝送モ OLT光伝送モジュールの電気出力信号を示す。プリアン ジュールのスペック（表1-p.101，表2）は，残念ながら ブルは30bitsで，バースト光信号を電気信号へ再生可能 OLT受光ダイナミックレンジ（OLT最小受光電力とOLT である。 最大受光電力）に関して未達で，現状では当社独自スペッ クとなっている。 課題と今後の展開 IEEE802.3ah 1000Base-PX20（D2.0）完全準拠を 表3にIEEE802.3ah 1000Base-PX20（D2.0）の代表 目指し，以下のようにOLT受光ダイナミックレンジ改善 的な光インタフェース要求スペックを示す。このスペック を行っている。従来のOLTに用いた前置増幅器では，APD （Avalanche Photo Diode）デバイスから流れる大電 表3 IEEE802.3ah 1000Base-PX20 1.2500Gbit/s 1000Base-PX20-D 1000Base-PX20-U (OLT) (ONU) 伝送距離［km］ 20 20 平均送信電力［dBm］ −1.0 ~ +4.0 +2.0 ~ +7.0 送信モード 連続信号 バースト信号 最大受光電力［dBm］ −6.0 −3.0 最小受光電力［dBm］ −27.0 −24.0 受信モード バースト信号 連続信号 伝送速度 種別 104 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 流で飽和してしまうことがわかった。そのため−6dBm入 力時のOLT光伝送モジュールの出力波形は図11のように アイパターンが潰れてしまい，受光不可能となっている。 そこでバースト用前置増幅器を新規に設計し，本課題に 対して，これらの改善を図った。その結果，図12のよう にPX20-D最大受光電力の要求スペック（−6dBm）に対 して，十分にマージンのある結果が得られた。しかし，パ ケット間レベル差による最小受光感度劣化が生じており， ネットワーク特集 ● ■参考文献 1）石崎裕司 他：アクセス系光伝送モジュールの開発，沖テクニ カルレビュー190号，Vol.69 No.2，pp.76-81，2002年4月 2）ITU-T G.983.1：BROADBAND OPTICAL ACCESS SYSTEMS BASED ON PASSIVE OPTICAL NETWORKS （PON） 3）IEEE802.3ah（D2.0）：Media Access Control Parameters, Physical Layers and Management Parameters for subscriber access networks. 4）岡田浩 他：ATM-PON用156Mb/s ONU側光伝送モジュール， 電気通信学会1999年総合大会講演論文集B-10-74 5）菊池修 他：ATM-PON用156Mb/s OLT側光伝送モジュール， 電気通信学会1999年総合大会講演論文集B-10-75 200ps/div 図11 現状TIAでの−6dBm受光波形 ●筆者紹介 田中貴之：Takayuki Tanaka,株式会社シグマ･リンクス開発部 井上美奈子：Minako Inoue,株式会社シグマ･リンクス開発部 200ps/div 図12 改良版TIAでの−6dBm受光波形 その原因と対策をAPDデバイス，ATC回路の両面から追 求している。ONU光伝送モジュールに関しては， IEEE802.3ah 1000Base-PX20（D2.0）に完全に準拠 しているため，今後は低価格化を最重要課題と定め，歩 留まり改善などを目標に取り組んでいく。 あ と が き 本稿では，新規に開発した当社独自仕様のGE-PON用 OLT，ONU光伝送モジュールの概要，そして課題につい て述べた。今後はIEEEのみならず，ITU-Tという世界標 準に完全準拠させるべく，まずはバースト用ICの方式・ 回路設計を行い，さらにそれらを使用したより高速で，高 性能なバースト用光伝送モジュールの開発に取り組んで いく。 ◆◆ 沖テクニカルレビュー 2004年1月／第197号Vol.71 No.1 105