400Gbpsで到達距離2kmと10kmの「CWDM8 2km/10km」、低OH濃度SMFの採用で損失を抑える

8波長のCWDMを利用し、1対のSMFで接続する「CWDM8 2km」

　さてCWDM8 2kmのケースであるが、基本的な構成は前回説明した通り、8波長のCWDMを利用した伝送で、8:1と1:8のMux/Demuxを挟んで1対のSMFで接続する形態となる。

これは分かりやすいというか、ほかに構成しようがないと言うべきか。出典は"400G CWDM8 MSA 2km Optical Interface Technical Specifications Revision 1.0"のFigure 1

　利用する波長は、以下のように20nm刻みとなっている。CWDMだから20nm刻みというのは仕様（というか、CWDMの定義）に沿ったものだが、結果的にO-band（中心波長が1271～1351nm）をはみ出してE-band（中心波長が1371～1451nm）にはみ出しているのは致し方ないところか。

　『レーンあたり50/25Gbpsで400Gbpsを実現する「IEEE 802.3bs」の各規格』で紹介した「400GBASE-FR8/LR8」は、同じように8波長で400Gの伝送を可能にする規格で、DWDMに分類される波長の狭さであるが、『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」』でも説明したように、1385nm付近では急激に伝達特性が悪化する。

　もっとも、このときのグラフは「1990年までに敷設されたSMF」の特性のもので、最近ではかなり改善している。とはいえ、減衰を全くなくすのは難しい。

1385nm付近の波長を吸収するOH基を排し、損失のピークがなくなるよう工夫

　やや寄り道をすると、なぜ1385nm付近で急速に特性が劣化するのかといえば、光ファイバーに含まれるOH基（水酸基というのが筆者には馴染みがあるが、正式にはヒドロキシ基と呼ぶそうだ）が、ちょうど1385nm付近の波長の光を吸収してしまうためで、このあたりで急速に減衰が高くなる。

　ということは、要するにOH基を含まない材料で光ファイバーを構成すればいいのだが、実際には水素が侵入し、これが光ファイバーの中の微細な欠陥部などと結合してOH基が発生してしまう。

　そのため、そもそもOH基の少ない（1ppm未満）の材料を利用するとともに、クラッドやコーティング、サポートなどの材質や構造を工夫し、外部から水素の侵入などの影響を受けないようにされている。

　以下の図は、住友電工の「PureBand」と呼ばれる光ファイバーの特性を示したものだ。OH基の影響を極力排することで、1385nm付近の損失のピークをなくそうと工夫しているのが分かるだろう。

なぜか住友電工の日本のページでは見つからなかった。出典は"Bend-Insensitive Fibre"

　もっとも、OH基の添加は悪い面ばかりではない。OH基濃度が1ppm以下の光ファイバーの場合、近赤外線（750～2150nm）の損失は少ないが、ガラス構造の欠陥が発生しやすい。このために深紫外領域（～300nm）や可視領域（400nm～750nm）での損失が多くなるという欠点があり、あえて高濃度（600ppm以上）のOH基濃度を持つ光ファイバーを使ったりしている。要するに用途に応じて光ファイバーの組成が変わる、という話である。

　話を戻すと、CWDM8 MSAではこのあたりを割り切り、低OH濃度の光ファイバーを利用することを前提に規格を決めている。実際、Fiber Optic CablingのCharasteristicsに関しては、以下いずれかの使用を定めている。つまり、現在敷設しているSMFが必ずしも使えるとは限らないわけだ。

• IEC 60793-2-50 type B1.3 SMF、もしくはこれと等価なITU-T G.652 type Cおよびtype D（低OH基濃度SMF）
• IEC 60793-2-50 type B6_a1およびtype B6_a2 SMF、もしくはこれと等価なITU-T G.657 type A1およびtype A2（曲げ不感の低OH基濃度SMF）

低OH濃度SMFで波長の選択が楽に、分離は難しく

　ただ、こうした低OH濃度SMFの使用を前提にしたことで、波長の選択が非常に楽になった。CWDMの最大の欠点は、非常に波長が接近しているために分離が難しく（うまく分離できないことが多く、きっちり分離しようとすると損失も増える。おまけにそもそも波長の差が小さいため、きちんと分離できるフィルターは高コストになる）、CWDMの利用によってコストの引き下げに目途が立ったかたちだ。

　この結果、送受信パラメーターは穏当というか、割と普通のものと言える。以下左の表が送信側パラメーターなのだが、レーンあたりの最大出力は2.5dBm、ダイナミックレンジは8dBほどでしかない。全レーン合わせての最大出力も8.5dBmと非常に小さく、これであれば12W以下に収めるのも難しくはないだろうし、放熱もそう困難ではないだろう。

　同様に以下右の表が受信側パラメーターであるが、レーンあたりのAverage receive powerは-9.5～2.5dBmでダイナミックレンジ12dBほど。Receiver sensitivityは-8dBmで、信号伝達の難易度は『最大400Gbps、到達距離2kmの「400G-FR4」と到達距離10kmの「400G-LR4-10」』で説明した「400G-FR4」と大差ないレベルだ。これはもちろん、低損失光ファイバーの影響も少なくないだろう。

送信側パラメーター

受信側パラメーター

　10kmの方のSpecificationは、ケーブルの損失がもう少し増える分、おそらく若干送信出力を引き上げるとともに、受信感度を高めることで対応していると思われるが、Specificationがまだ入手できていないので、このあたり断言はできないところだ。

　これが20～40kmともなると、いろいろと大変だとは思うが、10kmであればまだ技術的にそれほどトリッキーなことをしなくても済む範疇だけに、そうトンデモない規格にはなっていないと思われる。

Intelの試作モジュール。今のところ100Gどまりで、400G対応の製品は出荷されていない

　そんなわけで、2017年には既にSpecificationがリリースされている「CWDM8 400G」であるが、さっぱり市場にモジュールが出ていないのが不思議である。前回も書いたように、Intelはモジュールの試作こそ行ったものの、いまだに発売していない。

　もっとも、この当時IntelはInfiniBandなども手を出しつつ、最終的にOmniPath Fabricを本命に据えていたあたり、これがあくまでバックアップとしての開発計画だった可能性もある。

　その後、IntelのOmniPath Fabricの第2世代がキャンセルとなってBarefoot Networksを急遽買収しているあたり、あるいはCWDM8 400Gを再び生き返らせる可能性もあるのだが、今のところ目立った動きは全くない。

　そして、そのほかのメーカーからも、やはり製品はさっぱり出てこない。互換モジュールでお馴染みであるFSの「QSFP-DD Transceiver Types Overview」を見ても、「IEEE 802.3bs/802.3cd」と「100G Lambda」のモジュール、「400GBASE-XDR4」（400GBASE-DR4をベースに到達距離を2kmまで伸ばしたベンダー独自規格）のモジュールがあるだけで、CWDM8 400Gのモジュールは影もかたちもない。

　ここまで採用事例がないと、CWDM8 MSAそのものの存在がもう終わっていることも疑う必要がある。あるいはサーバーに繋がらないのは、それが理由なのかもしれない。