位相変調した光信号を復号するコヒーレント光と、波長分離多重「DWDM」を併用する「400ZR」

100GHz間隔の高密度で光の波長を分割して多重通信を行う「DWDM」

　「DWDM（Dense WDM）」は、基本的にはその名の通り、波長分割多重を高密度で行う方式だ。例えば『レーンあたり50/25Gbpsで400Gbpsを実現する「IEEE 802.3bs」の各規格』で解説した「400GBASE-FR8/LR8」では、1272.55～1310.19nmの範囲に8本の波長を通している。これは波長での計算だが、周波数に直すと以下のようになる。

• 1273.54nm：235.40THz
• 1277.89nm：234.60THz
• 1282.26nm：233.80THz
• 1286.66nm：233.00THz
• 1295.56nm：231.40THz
• 1300.05nm：230.60THz
• 1304.58nm：229.80THz
• 1309.14nm：229.00THz

　ここから、0.8THz（＝800GHz）間隔で波長を変えているのが分かるだろう。800GHzというのは、電波の世界ではとても広い帯域ではあるが、何しろ光なので、実際のところはさほど広くない、というかかなり狭いものだ。

　そして、この間隔をさらに狭くしたのがDWDMである。どのくらい狭いのかというと、アプリケーション（つまり利用する通信規格）次第ではあるが、ITU-Tの「G.694.1（Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid）」というRecommendationにおいては、100GHz間隔を基本とした上で、さらに50/25/12.5GHzまでが定義されている。

そもそもG.694.1自体が、Specification（仕様書）ではなくRecommendation（推奨）なので、これをそのまま利用しなければいけない、というものではない。ちなみにこのテーブルは次ページに続いている（が、全て掲載しても仕方ないので先頭だけ）。出典は「G.694.1」（ITU-T）のTable 1

　400GBASE-FR8/LR8と同じ帯域へ、仮に100GHz間隔なら64波長、12.5GHz間隔なら512波長を同時に通すことができる。それぞれが25GbpsのNRZであれば、64波長の場合は1600Gbps、512波長なら12800Gbpsの換算なので、Terabitどころか10Terabit Ethernetすら実現できることになる。

　もちろん、“それが実現できれば”ものすごく有望なのかもしれないが、WDMにおける問題は、複数波長の分離である。800GHz間隔の400GBASE-FR8/LR8ですら、WDMの合成／分離のフィルターはかなり高価格（波長そのものは4nm程度の差でしかないから、当然と言えば当然）になるが、これが100GHz間隔だと波長の差は0.5nm程度、12.5GHzともなると0.1nmを切ることになる。

　そもそもそんな接近した波長をきれいに分離できるかというと、実験室レベルは別として、到底商用レベルには向かないほど著しく困難なため、100GHzあたりが無難ということになる。実際に400ZRの資料を見ると、100GHz間隔のDWDMのほかに、75GHz間隔のDWDMも候補に挙がっていた。しかし、比較検討の結果、こちらはオプション（というかFuture Work）扱いとなった経緯がある。

光ファイバーのピーク減衰率に近い「O-band」の波長に「DWDM」を組み合わせた「400ZR」

　なぜこのように高密度に波長を重ねるのかといえば、光ファイバーの伝達特性に起因している。光ファイバーは、それがSMFかMMFかの違いは当然として、材質や構造などによっても、「光を通しやすい波長帯」（＝長距離での光の減衰が小さい）と、「光を通しにくい波長帯」（＝長距離での光の減衰が大きい）がある。

　光を通しにくいこうした波長にまたがって信号を送ろうとすれば、減衰が激しいために到達距離は当然減ってしまう。このため、なるべく減衰が小さい波長を選んで送りたいわけだが、そうした波長はあまり多くない。

　この波長については、ITU-Tの「Series G Supplement 39」（最新版は2016年2月で、もともとは2003年10月に初版がリリースされた）での規定で、以下のように定めている（ちなみにこれはSMFを前提としたものであり、MMFで利用される850nm帯は、この議論には当てはまらない）。

• O-band（Original band） 1260～1360nm
• E-band（Extended band） 1360～1460nm
• S-band（Short wavelength band） 1460～1530nm
• C-band（Conventional band） 1530～1565nm
• L-band（Long band） 1565～1625nm
• U-band（Ultra-long band） 1625～1675nm

　その減衰率について、G Supplement 39に掲載されている一例が以下のグラフだ。縦軸が減衰率で、これが小さければ小さいほど到達距離は伸びる。つまり、大きなピークがある1370nm付近を外して利用するのがいいことになる。

1990年以前に設置されていたSMFの測定例。出典はITU-Tの「G.694.1」のFigure 10-2

　なるべくならO-band、つまり1260～1360nmの範囲で収めたいことになる。ただし、上の例でも書いたように、400GBASE-FR8/LR8では波長がおおむね4nm（をやや上回る）刻みだから頑張っても26波長、実際には1350nmを超えると急に減衰率が上がるから、1340nmあたりまでで止めておくとして、20波長そこそこが同時に利用できる限界となる。

　ところがDWDMを使えば、ここに80波長くらいを通すのはそう難しくないわけだ。実際には、ここまで広範囲で光出力できる素子が存在しないので、当初は48波長でのスタートとなったが、従来のWDMに比べて波長数がずっと多いことが分かる。余談だが、従来のWDMについて、DWDMに対比させるかたちで「CWDM（Coarse WDM：疎密度波長分割多重）」と呼ぶこともある。

　さて、400ZRのもう1つの特徴が、コヒーレント光の採用である。もともと光ファイバーの光源には半導体レーザーを使うことが一般的で、その時点で出力されている光はコヒーレント性が高い（＝光の干渉を観測しやすい）わけだが、従来は光源の出力を、NRZあるいはPAM-4のように、単に信号あり／なしだけで伝送を行っていて、特に光の干渉を利用した通信方式ではなかった。

　これに対し、コヒーレント光通信と呼ばれる方式では、光信号が位相変調を掛けて送り出される。一方の受信側では「LO（Local Oscillator）」と呼ばれる連続光を用意し、これを受信した光信号と干渉させ、受信した信号光の複素振幅を測定することでデータ列を復号する手順を踏む。

　この方式は、受信した光信号をデジタル信号処理する技法が確立した2005年あたりから実用化されるようになった。そして400ZRでは、このコヒーレント光通信方式と、DWDMを併用する仕様となっている。

　ちなみに、400ZRが利用する光源は、O-band（1260～1360nm）ではなくC-band（1530～1565nm）である。波長で言えば35nm（周波数は191.56～195.94THzの4.38THz）分であり、ここに100GHz間隔で48波長分を取ると、C-bandを少しだけはみ出すことになる。

　実際は191.3～196.1THz（1529～1567nm）を利用しており、S-bandおよびL-bandへ少しだけはみ出しているが、おおむねC-bandを利用するとしていいだろう。O-bandではなくC-bandを利用する理由は、400ZRの構成に関係する。

　以下は400ZRの利用形態をまとめたもので、一番上のみPassiveであるが、中段および下段はDWDM Mux/Demux Amplifierが追加されている。要するに光アンプ（光信号の増強を行うユニット）であり、これを間に挟むことで、最大120kmの到達距離を実現できる仕組みだ。

　そして、この光アンプを作りやすいことが、おそらくC-bandが選ばれた理由だろう。O-bandでは絶対作れないわけではないが高コストとなって、機器もやや大型化してしまうからだ。

中段と下段の違いは400ZRのトランスポンダーをどこに付けるかだけで、400ZRを自分で喋れるスイッチが中段、汎用の400Gスイッチに400ZRモジュールを追加するのが下段となる。出典は"OIF-400ZR-01.0 – Implementation Agreement 400ZR"のFigure 2～4

　ちなみに、ここで示した例は原則Point-to-Pointであるが、ほかに「OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）」を間に挟んで、例えば400Gを100G×4に分岐させるといったことも、仕様策定時点では考慮されていたようだ（ただし、OADMを利用する場合は仕様には未定義なので、今後追加されるのかもしれない）。