超高速光エッジノード技術の研究開発

超高速光エッジノード技術の研究開発
ＩＣＴイノベーションフォーラム２０１２
２０１２年１０月２日
日本電信電話株式会社
日本電気株式会社
富士通株式会社
三菱電機株式会社
100G-Project Confidential
講演内容
1. １００ギガビット光通信技術の研究開発概況
2. デジタルコヒーレント信号処理集積回路
3. コンセプトプルーフ評価実験
4. 実現要素技術
5. 今後の展望
6. まとめ
1
研究開発の目的と概要
超高速光エッジノード高速化に必須となるクライアント信号収容技術、１００Ｇｂｐｓ級光送受
信技術、及び宛先切替技術の確立を目指す。これら技術の確立によりネットワークの効率
化、低消費電力化を可能とし、国民生活の利便性向上や地球温暖化対策に貢献する。
課題[3] 宛先切替技術の
研究開発
クラウドコンピューティン
グネットワーク
データセンタ
光
ADM光
光
ADM
課題[2] 100Gbps級
光送受信技術の研究開発
光
ADM
ADM
100G
超高速光エッジノード
100G
送受信器
宛て先切替部
100G
送受信器
100G
クライアント信号
収容部
LAN
課題[1] クライアント
信号収容技術の研究開発
1GbE/10GbEthernet,
FibreChannel, SDH,…
2
研究開発フォーメーション
超高速光エッジノード技術の研究開発
課題［１］ クライアント信号収容技術の研究開発（富士通）
課題［２］ 100Gbps級光送受信技術の研究開発
課題２-ア
100Gbpsﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ信号処理方式の研究開発
課題２-イ
100Gbpsﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ光送受信技術の研究開発
２-イ-１ 光送受信技術の研究開発
２-ア-１
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ信号処理方式の研究開発
２-イ-１-１
受信フロントエンド技術の研究開発（NTT）
２-ア-１-１
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ信号処理技術 （NTT）
２-イ-１-２
モジュレーション技術の研究開発（NTT）
２-ア-１-２
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ波長分散補償技術 （NEC）
２-イ-１-３ 光トランシーバ技術の研究開発（富士
通）
２-ア-１-３
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ偏波処理技術 （富士通）
２-ア-１-４
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ軟判定FEC技術 （三菱電機）
課題２-ウ 100Gbpsﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ光伝送方式評価
技術の研究開発（NTT）
２-ア-３
デジタル信号処理統合検証技術の研究開発 （NTT）
２-ウ-１ クライアント信号処理部評価技術
２-ウ-２ システム評価技術（伝送実験等）
課題［３］ 宛先切替技術の研究開発（富士通）
3
１００ギガビット光通信技術研究の位置付け
System capacity (bps)
1 P
Digital Coherent
Transport & DWDM
100 T
10 T
8Tb/s/fiber
WDM & Optical
Amplification
1T
100Gb/s/ch
100 G
10 G
Electrical
TDM
1 G
100 M
1980
1990
2000
2010 Digital Signal Processor 2020
Year of commercialization
brings them reality.
The development of concept‐proof 2nd gen. DSP is supported in part by the "R&D on High Speed Optical Transport System Technologies" of the Ministry of Internal Affairs and Communications of Japan. 4
デジタルコヒーレント信号処理集積化技術
【課題２-ア-３関連】
機能モデル／ＲＴＬ統合モデルによる統合検証を行い、各技術課題にフィードバックを実施。各技術
を統合して試作を行い、統合リアルタイム動作検証を実施し、良好な特性を確認した。
14
Realtime
Theory diff.-decode
Q factor before FEC [dB]
12
10
8
6
機能／ＲＴＬ統合モデル検証系およびエミュレータ外観
4
試作サンプル
MUX
LD
10
光変調
12
14
20：4 MUX
SFI-S (20-lane)
SFI-S (20-lane)
OTL-4.10 /SFI-S
Mod.
X_Q
X偏波
Y_I
Mod.
Y_Q
21lane
TIA
TIA
ADC
TIA
ADC
光雑音
伝送路
負荷系
負荷系
90-deg. Hyb.
波長分散補償技術
偏波処理技術
軟判定FEC技術
OTL-4.10/SFI-S
トレーニング信号処理技術
ADC
18
20
22
OSNR [dB]
X_I
ADC
16
-1
LO
TIA
-0.5
Y偏波
1
1
0.8
0.6
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0
0.2
0
-0.2 0
0.5
1
-1
-0.5
-0.2 0
-0.4
-0.4
-0.6
-0.8
-0.6
-0.8
-1
-1
0.5
1
F.E.
統合リアルタイム動作検証系
試作サンプル外観
統合リアルタイム動作評価結果
5
LDPC FEC
encoder
De-Framer
(LAN/WAN
Conv.)
100G Ethernet
Digital Signal Processor
LSI
SD/LDPC
FEC decoder
Adaptive
equalizer
MUX IC
Framer
(LAN/WAN
Conv.)
100G Ethernet
Training
sequence
Addition
Framing
100G
Optical
modulator
ADC
１００ＧコヒーレントＤＳＰの機能構成
100G
Optical
hybrid
Line estimation
Fixed
equalizer
40nm CMOS
~100M Gates
6
１００ギガビット光通信技術評価技術
【課題２-ウ-２関連】（１/２）
● フィールド敷設ファイバを用いた80ch WDM伝送を実施
● フィールドWDM伝送に対する100Gデジタルコヒーレント信号処理LSIの適用性を実証
● 高速波長分散推定技術による経路切り替え時の高速信号復旧動作を実証
100 GE
analyzer
OTN
framer
DSP
(ENC)
20:4 MUX
PDM
IQ‐mod.
Front‐
end
Odd
DSP
(DEC)
OTN
framer
100 GE
analyzer
Sel.
L‐band 40ch
Even
DF
B
Ich, PN 215‐1
IL
IQ‐mod.
DF
B 2span系
Pol.
MUX
WSS
WSS
WSS
Miura peninsula
Qch, PN 215‐1
NTT‐EAST
Yokosuka office
DSF
70.4km
23 dB
70.4km
22 dB
70.4km
25 dB
70.4km
22 dB
70.4km
23 dB
70.4km
24 dB
NTT Yokosuka
R&D Center
フィールド伝送評価系
7
１００ギガビット光通信技術評価技術
【課題２-ウ-２関連】 （２/２）
Real-time (w/o FEC)
Offline
Relative optical power [5dB/div.]
16
14
Q factor [dB]
12
10
8
6
4
2
0
1569
1574
1579
1584
1589
1594
Wavelength [nm]
1599
1604
80ch WDM伝送特性
8
担当課題 （ＮＴＴ）
9
高速切替えを可能とする信号処理技術
【課題２-ア-１-１関連】
トレーニング信号を用いた高速波長分散推定のアルゴリズム・回路を開発。試作サンプルを
用いた統合評価により、偏波モード分散、周波数オフセット等の様々な劣化要因がある条件
において、高速・高精度に伝送路の波長分散を推定できることを確認した。
6 span
1,097 ps/nm
Signal level [a.u.]
Optical
input
Zero
level
Recovery time
12 msec
Sync.
0
Sync.
Error
10
20
30
最大正側ずれ
波長分散推定誤差[ps/nm]
2 span
350 ps/nm
最大負側ずれ
300
200 設計目標（上限）
100
0
-100
OTL lane
alignment -200 設計目標（下限）
error
-300
-6
-4
-2
0
2
Zero
周波数オフセット[GHz]
40 level
4
6
Time [msec]
経路切り替え時の信号復旧
波長分散推定精度の評価結果
10
１００ギガビットイーサ接続技術
【課題２-ウ-１関連】
１０ＧｂＥ信号を100Gへ多重化し光伝送フレームへ収容し評価伝送特性を評価するための
フレーム処理回路を開発。１０ＧｂＥクライアント信号を１００Ｇへ多重し、内部で折り返し、１
００Ｇ信号を分離した後の信号についてエラーフリー（誤り率１０-１２以下）伝送を確認した。
LOS検出なし
エラー、警報の検出なし(PCS)
エラー、警報の検出なし(MAC)
ペイロードエラーフリー確認
ペイロード同期はずれなし
フレーム処理回路評価系の構成
評価結果例（１０Ｇアナライザ画面）
11
１００ギガビット光受信フロントエンド技術
【課題２-イ-１-１関連】
偏波分離を行う石英系ＰＬＣ、高局発光下で動作する超高速ＩｎＰ ＰＤアレー、制御機能を盛
り込んだＩｎＰ-ＨＢＴ ＴＩＡを小型集積して高性能な受信器を実現した。
CMRR [dBe]
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
石英系PLCを用いた
光偏波・位相制御
技術
InP/InGaAs PIN-PD
を用いた高入力耐
性受光技術
InP HBT ICを用いた
低歪み・制御機能
付きTIA技術
Y-pol
5
10
15
XIn
XQp
XQn
YIp
YIn
20
25
30
Frequency [GHz]
14
13
12
11
10
9
8
7
6
OSNR=16dB
OSNR=18dB
Q‐value (dB)
X-pol
0
XIp
集積光受信器
復調された100G-PDMQPSK光信号
-20
-15
-10
-5
Signal Input Power (dBm)
0
12
１００ギガビット光モジュレーション技術
【課題２-イ-１-２関連】
優れた光回路機能を持つ石英系ＰＬＣと高速なＬｉＮｂО３位相シフタアレイを実装して、小型
で高性能な１００Ｇ ＤＰ-ＱＰＳＫ変調器を実現。コヒーレント信号送信動作も良好であること
を確認した。
14
13
Q [dB]
12
石英系ＰＬＣとＬｉＮｂО３素子の基本実装構造
11
10
9
8
7
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
OSNR [dB] (Res=0.1nm)
１００Ｇ ＤＰ-ＱＰＳＫ変調器
変調信号Ｑ値の
光雑音付加耐力
13
担当課題 （ＮＥＣ）
最大20,000ps/nmの光ファイバ伝送路(約1,000km)で生じる波長
分散歪を受信端でデジタル信号処理により等化する回路を開発する
機能の位置づけ
14
大規模歪補償FDE回路の課題と
解決へのアプローチ
規模縮減する４技術
補償分散量の増大
クロックアップ方式
所定量のオーバーラップ数の確保
FFT構成最適化
面切り替え方式
FFT/IFFTが大規模化
論理セル最適配置
論理セル組み合わせ最適化に
より速度劣化なしに電力削減
論理セル
動作速度
漏れ電流
高Vtセル
低速
小
標準Vtセル
中間
中間
低Vtセル
高速
大
13～18%
削減
52～60%
削減
最適に
組合せ
15
長距離光伝送システムにおける
分散補償効果の検証
歪補償により、光雑音限界にほぼ等しい特性
3,350kmファイバ伝送路
送信側
デジタル回路
復調
回路
分散
補償部
100G
光送信部
100G
光受信部
光雑音限界特性
伝送時特性
16
担当課題 （富士通）
光トランシーバ技術
誤り訂正
復号化
処理部
偏波
処理部
100G
光送信部
伝送路
推定部
分散
補償部
偏波処理技術
アナログ
デジタル変換部
デジタル信号処理LSI
デフレーマ
（LAN/WAN変換）
100Gイーサ信号
トレーニング
信号
付加部
多重化部
フレーマ
（LAN/WAN変換）
100Gイーサ信号
誤り訂正
符号化
処理部
100G
光受信部
17
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾋｰﾚﾝﾄ偏波処理技術
【課題２-ア-１-３関連】
目標：・20kHzの高速偏波変動追従性能、50psの偏波分散耐力、2.5GHzの周波数オフセット耐力を有する処
理回路を設計
成果：・フィルタ係数重心最適化によるtap数削減とレーン平均数最適化により目標偏波追従特性を実現
4乗法の4倍の周波数オフセット推定範囲をもつPADE法により目標周波数オフセット耐力を実現
・50kHz偏波変動下での評価で、DGD/SOPMD・周波数オフセット（±2.5GHz）を与えた評価においても
信号品質に影響がないことを確認
偏波処理部評価系
DGD/SOPMD負荷によるQ値劣化量(実測値)
周波数オフセット耐力( 実測値)
18
１００キガビット光トランシーバ技術
【課題２-イ-１-３関連】
内容：・ブレッドボード型光トランシーバを作製、基本性能評価とオフライン実験を実施
・高周波配線技術・実装技術確認用に評価ボードを設計し、受信フロントエンドとCMOS試作回路を
32Gbaudの超高速アナログ配線で接続、特性評価を実施し、高周波配線技術・実装技術の確立を確認
・上記結果を踏まえて、OIF規格に準拠した形状でオンボード型光トランシーバを実現
成果：・評価ボードを使用して100Gアナライザを信号源としたオンボード型光トランシーバ模擬評価系を構築し、
100Gbpsリアルタイム信号疎通でエラーフリーとなり、高周波配線技術の確立を確認
・オンボード光トランシーバにおいて模擬評価系と比較して良好なOSNR特性を確認し、オンボード型光トラ
ンシーバ技術を確立
ブレッドボード型光トランシーバ
オンボード型光トランシーバ
模擬評価系
オンボード型光トランシーバ外観
OSNR特性比較
19
参考： 課題[1]クライアント信号収容技術
課題[3]宛先切替部
-ビルディングブロック構成型
宛先切替技術
成果
クライアント信号収容部、
宛先切り替え部をFPGAに実装
した100Gbps動作の評価
ボードを試作し、パケットスイッ
チ比1/4の電力消費量を実
現
HO ODU/LO ODU
デマップ(抽出)部
回線
品質監視
信号分岐
挿入制御
OTNフレーム出力
100Gbps
ビルディングブロック処理部
OTNフレーム入力
100Gbps
・・
タイムスロット
アサインメント処
理部
ビルディングブロック処理部
内容
-LO ODU信号を同一周期を持
つ共通フレームに変換し、複数
ﾌﾚｰﾑを連動させる技術
タイムスロット
アサインメント処
理部
(宛先切替部)
LO ODU/HO ODU
マッピング(収容)部
OTNフレーム出力
100Gbps
HO ODU/LO ODU
デマップ(抽出)部
LO ODU/HO ODU
マッピング(収容)部
OTNフレーム入力
100Gbps
クライアント/LO ODUマップ・デマップ
ジッタ抑圧
OTNフレーム出力 100Gbps
OTNフレーム入力 100Gbps
OTU / HO ODU収容部
共通フレーム
信号変換部
・・
共通フレーム
信号変換部
OTU / HO ODU抽出部
共通フレーム
信号変換部
共通フレーム
信号変換部
・・ 共通フレーム
信号変換部
共通フレーム
信号変換部
可変
ODUフレーム処理部
100Gbs動作の超高速光エッジノード
評価ボード
LO ODU
収容部
・・
LO ODU 収容部
LO ODU
抽出部
・・
LO ODU 抽出部
クライアント
信号受信部
・・
クライアント信号受信部
クライアント
信号送信部
・・
クライアント信号送信部
クライアント信号入力
GbEthernet、SDH STM16など
クライアント信号出力
GbEthernet、SDH STM16など
課題
[3]
課題
[1]
20
担当課題 （三菱電機）
デジタル信号処理LSI
デフレーマ
（LAN/WAN変
換）
100Gイーサ信号
トレーニング
信号
付加部
2-ウ-１
誤り訂正
復号化
処理部
偏波
処理部
2-アー１、2-アー３
NEC
多重化部
フレーマ
（LAN/WAN変
換）
100Gイーサ信号
誤り訂正
符号化
処理部
富士通
100G
光送信部
アナログ
デジタル変換部
NTT
三菱電機
100G
光受信部
伝送路
推定部
分散
補償部
2-ア-２
2-イ
21

⇒・「3重連接FEC」 を考案
・LDPC 符号を内符号とし、BERの悪い領域
で性能を発揮
・強力な外符号で BERの良い領域のエラー
フロアを取り除く

誤り訂正後 BER
⇒50ビット中1ビットのエラーを訂正する能力
~10-3
内符号
Payload
OTU4V フレーム
外符号
訂正前 BER
13% LDPC
7%
硬判定FEC
ネット符号化利得 x ビットレート積 (Gb/s)
誤り訂正技術（3重連接FEC）
104
103
102
シャノン限界
100Gb/s
40Gb/s
10Gb/s
本成果
2.5Gb/s
10G
10G
101
2.5G
100
内符号
外符号
復号アルゴリズム
繰返し復号回数
冗長度
ネット符号化利得
Qリミット
100G
40G
x1.4/年
硬判定
連接符号
軟判定
’86 ’90 ’94 ’98 ’02 ’06 ’10 ’14 年
Irregular QC-LDPC (4608, 4080)
硬判定連接符号(ITU-T G,975.1)
Variable Offset Belief Propagation
16
20.5% (13% LDPC + 7% 硬判定FEC)
10.8dB @BER=10-15
6.4dB
22
開発した軟判定FECの効果
 開発したFECの効果（例）
多数の伝送路で効果を検証．従来FECできなかった距離の伝送が可能に
Ｑバジェットを満たす領域
12
硬判定RS(255,239)
10
8
硬判定 連接符号FEC
マージン3dB
本開発の3重連接FEC
6
4
シャノン限界 (20%).
2
0
2000
4000
6000
8000
10000
40G
100G
 成果の展開
本研究成果の軟判定FEC技術を搭載した製品の実システムへの導入を開始
23
国際競争力強化に向けた到達点と
今後の展望
Confirmation of
interoperability among
several vendors.
Commercia
lization
Product
developme
nt
Feasibility
study
Contribution to the
world industry
Fast recovery
from optical
The concept proof route switching
100G 2nd-gen. DSP
Standardiz
ation
Applied
Research
Basic
Research
Dispersion
compensation
Evaluation
Polarization
control
Optical
modulation
Error
correction
High-speed
ADC
２００７
２００８
Product development by
respective companies
Digital signal
processing
Dispersion
estimation
２００９
Integration by “open innovation”
with a support of MIC
key technologies for 100G Digital Coherent
Optical Transmission
２０１０
２０１１
２０１２
２０１３
24
まとめ

100ギガ光通信技術確立に向けたこれまでの取組みをご紹介
しました。

一連の研究開発を通して得られた成果、到達点をご紹介する
とともに、今後の展開について言及しました。

今後の継続的な国際競争力強化に向けて引続き各方面のご
支援、ご協力のほどよろしくお願いいたします。
25