次世代FTTHの現実的な代替手段 - WDM-PONテクノロジー

導入

近年、FTTHの導入は、ギガビットイーサネット・パッシブ光ネットワーク（GEPON）やギガビットPON（GPON）といった業界標準技術を基盤としています。これらの導入の成功は、システムアーキテクチャとシステム構築に使用されるコンポーネントの両方において大きな革新をもたらし、次世代のパッシブ光ネットワークは、今日一般的に導入されているものよりもはるかに高度なものとなることは間違いありません。

PON開発の最前線には、次世代システムを巡って競合すると思われる2つの異なるアプローチ、10Gbps PON（10G EPONまたは10G GPON）とWDM-PONがあります。それぞれのアプローチには利点と課題がありますが、近年、両方の新技術の進歩は加速しています。この記事では、WDM-PONに焦点を当て、次世代プラットフォームにとって非常に有力な競合相手となっているいくつかの課題と新技術について考察します。WDM-PONは韓国ではすでに初期の成功を収めていますが、GEPONやGPON技術に比べてコストが比較的高いため、世界の他の地域での導入は遅れています。しかし、次世代FTTH展開においてWDM-PONが10G PONやポイントツーポイント（P2P）システムと直接競合するようになるにつれ、状況は変わりつつあるようです。

アーキテクチャ
WDM-PON ネットワークのシステム アーキテクチャは、従来の GEPON または GPON システムとそれほど変わりませんが、ネットワークの動作方法はまったく異なります。この記事では技術的な詳細をすべて説明するつもりはありませんが、WDM-PON では最終的に各加入者に 1 つの波長が割り当てられます。これは、1 つの光フィードが 32 人以上のユーザーで共有される従来の PON アーキテクチャとは対照的です。その場合、各家庭は同じ波長で動作し、メイン ファイバー上で 1/32 のタイムスロットが割り当てられます。WDM-PON では、各家庭に独自の波長が割り当てられ、その波長でファイバーを継続的に使用できます。WDM-PON ネットワークの非常に高レベルなビューを下図に示します。

標準的な PON システムでは、中央局(CO) から近隣地域まで 1 本の光ファイバーが敷設され、その地点でパッシブ 1×32 スプリッターが光信号を 32 の異なる家庭に分割します。事実上すべての PON テクノロジーは、双方向 (BiDi) 通信を実現するために何らかの波長分割多重(WDM) 方式を採用しています。たとえば、一般的な GPON システムでは、アップストリーム通信は 1310 nm の波長で実行され、ダウンストリーム トラフィックは 1490 nm の波長で実行されます。1550 nm の 3 番目の波長はビデオ オーバーレイに使用されます。そのため、PON システムでの WDM の利用は既に非常に一般的になっています。ただし、一般的な GPON システムまたは GEPON システムでは、すべての加入者が同じ共通波長を使用します。つまり、加入者は光ファイバー インフラストラクチャを共有する必要があります。これは、時分割多重(TDM) によって実現されます。これら 32 軒の家庭はすべて同じ光ファイバーでデータ伝送を行っていますが、光ファイバーを「占有」できる時間はCO の光回線終端装置(OLT) によって割り当てられます。各家庭の機器は 1250 Mbps を超える速度でデータ伝送できますが、光ファイバーに割り当てられた時間内でしか伝送できないため、従来の PON システムでは各加入者が持続的に約 30 Mbps のデータ伝送速度しか達成できないことも珍しくありません。

多くのユーザーが共通のファイバーを共有するというこの概念は、FTTH 展開に必要なファイバー インフラストラクチャを最小限に抑えるのに役立ちます。ただし、このファイバーの共有は、加入者への高データ レートを制限する主な要因の 1 つです。WDM-PON では、実質的に同じファイバー インフラストラクチャを使用しながら、各加入者が利用可能な 1250 Mbps のすべてを利用できるようになります。この変更を可能にするには、ネットワークにいくつかの変更が必要です。まず、上の図に示すように、パッシブ1×32 スプリッターをパッシブ1×32 チャネル デマルチプレクサ(例: 32 チャネル DWDM DEMUX)に置き換えます。これは通常、アサーマル アレイ導波路回折格子 (AWG) です。これにより、32 の異なる波長を共通のファイバーで送信できるようになり、各家庭に独自の波長が割り当てられます。

利点

WDM-PON アーキテクチャには、従来の PON システムに比べていくつかの利点があります。

コストの課題

WDM-PONの主な課題はコストです。各加入者に固有の波長が割り当てられるため、OLTは従来のPONシステムで見られる1つの共有波長ではなく、32の異なる波長で伝送する必要があります。同様に、リンク上の32の家庭はそれぞれ異なる波長で動作する必要があるため、各ONTには、特定の家庭に適した波長に調整できる高価なチューナブルレーザーが必要になります。これは、特に初期設定コストにおいて非常に高額であり、WDM-PONシステムの初期設計における大きな障害でした。

ほとんどのWDM-PONシステムでは、COの広帯域光源がOLT送信機に広帯域シード信号を送信し、データがメインファイバで伝送される際に正しい波長に同期させます。現場の32チャネルAWG DEMUXでは、この信号は32本の異なるファイバに分割され、各ファイバに1つの波長が割り当てられます。各ファイバは別々のONTに接続されます。このアーキテクチャでは、ONTサイトにチューナブルレーザーが不要なため、ONTのコスト競争力が非常に高く、実際、機能的には従来のGPON ONTと非常に類似しています。

コスト課題に対するR-SOAソリューション

現代のWDM-PONシステムのほとんどは、レーザー注入同期と呼ばれる技術を採用しています。この技術により、比較的安価なファブリ・ペロー型レーザーをほぼあらゆる波長で動作させることができます。外部レーザーは反射型半導体光増幅器（R-SOA）と呼ばれます。

他のPONアーキテクチャと比較して、システムにおける最も大きな変更はOLTにあります。WDM-PON OLTは、GEPONやGPONと比較して非常に複雑です。各加入者は自宅まで1波長分のメリットを享受できるため、OLTにも各加入者専用のトランシーバーが必要です。ここでも、注入同期技術がこれを可能にします。OLTシャーシには、32チャネルAWGを通過する広帯域光源が搭載されており、OLT内の32個の独立したR-SOAそれぞれにシード信号を送ります。これらのR-SOAは1.25Gbpsで直接変調され、それぞれが特定の加入者に割り当てられます。これにより、比較的安価なPON光ファイバー設備を用いて、実質的に高速P2Pシステムを構築できます。

R-SOAと注入同期はWDM-PONのコスト削減に貢献しますが、WDM-PONコンポーネントはGEPONやGPONネットワークで使用される標準コンポーネントよりも依然として高価であることは間違いありません。しかし、既存のPONインフラはどれも各加入者にほぼ同等のデータレートを提供できないため、この比較は完全に公平とは言えません。現在、最も比較可能なPONの代替手段は次世代10G PONですが、10G PONでさえ、10Gbpsを32のユーザーで共有するため、WDM-PONで得られるデータレートに匹敵することはできません。Mbpsあたりのコストで見ると、WDM-PONは次世代システムにおいて既に最も安価な選択肢と言えるでしょう。

コスト課題に対するPLCソリューション

WDM-PONシステムのコストを削減するために既存のコンポーネントを微調整するだけでは、WDM-PONを他の次世代PONソリューションと競合させるには不十分です。全く新しいコンポーネント技術が必要でした。現在、 WDM-PON ONTおよびOLTの小型化とコスト削減の手段として、平面光波回路（PLC）に大きな注目が集まっています。PONアプリケーションにおけるPLC技術の活用は目新しいものではありません。

PLCベースのスプリッター

事実上すべてのPONシステムは、低コスト、小型、そしてシンプルさという理由から、屋外設備に1×32 PLCスプリッタを採用しています。これらのパッシブ光スプリッタは電源を必要とせず、非常に広い温度範囲で動作します。

PLCベースのトランシーバ
PLCベースのトランシーバは、アップストリームおよびダウンストリームのトランシーバ機能をすべて光チップに統合することで、GEPONおよびGPON ONTのコスト削減にも貢献しています。これらのPLCはパッシブ光スプリッタよりもはるかに複雑で、WDMフィルタリングに加え、レーザー、検出器、増幅器、コンデンサが共通のPLC基板上にハイブリッド集積されています。過去10年間のPLC集積技術の多くの進歩は、光チップで実現可能な機能に真の革命をもたらしました。

PLCベースのAWG
WDM-PONネットワークは、1×32パワースプリッタを32チャネルのアサーマルAWGに置き換えることから始まります。アサーマルAWGは、光パワーを32の異なる家庭に分割するのではなく、各家庭に1つの波長を分割します。これらももちろんPLCベースのコンポーネントであり、アサーマル設計のため電力を必要としません。そのため、アサーマルAWGは同じ外部筐体内で1×32パワースプリッタを置き換えることができ、WDM-PON展開における光ファイバインフラストラクチャは、従来のPONシステムと同等になります。これらのシステムで使用されるPLCベースのAWGは、実際には3つの機能を同時に実行するため、重要です。

PONシステムにおいて、このスプリッターノードにPLCを使用することは一般的であり、事実上標準となっていますが、WDM-PONネットワークの他の部分におけるPLCの使用もますます重要になっています。PLCはOLT光学系のサイズを大幅に縮小し、すべてのコンポーネントを単一のボードに統合できるため、WDM-PON OLTモジュールの密度を実質的に2倍に高めることができます。

PLC 技術は近年成熟し、これまではこのような小さなサイズでは実現できなかった機能を実現しています。WDM-PON アプリケーションでは、32 チャネルのトランスミッタおよびレシーバ コンポーネントをコンパクトな統合モジュールにまとめ、OLT のすべての機能を 1 つの OLT ブレードに収めることに重点が置かれています。PLC 技術により、32 個のフォトダイオード、TIA、コンデンサ、およびその他のサブコンポーネントを非常に高い歩留まりで AWG チップ上にハイブリッド統合することが可能になります。これは、長さわずか約 2 インチのシリコン チップ上で実現できます。パッケージングと電子部品によってフットプリントは増大しますが、最終結果は OLT のポート密度が 2 倍になります。同様に、PLC ベースのトランスミッタ モジュールは、32 チャネルすべての WDM フィルタリングと 32 個の R-SOA トランスミッタ、および各チャネルに対応する光パワー モニタを組み合わせています。このレベルの統合は、ほんの数年前でさえ実現不可能でしたが、現在では、次世代の WDM-PON ネットワークの一部がコストとポート密度の点で 10G PON と競合できるようになりました。

サービスレベルの観点から見ると、10G PONを含む他のPON技術は、WDM-PONが各家庭に提供できるビットレートと同等のものはありません。ユーザーあたり1250Mbpsの帯域幅はP2Pシステムに匹敵するものに過ぎませんが、WDM-PONはより低コストのPON光ファイバー設備を活用します。WDM-PONの導入に影響を与えてきた主な課題、すなわちコストとポート密度は、PLCベースの低コストの統合コンポーネントによって解決され始めています。

結論

WDM-PON導入における最大の課題は、おそらくGEPONとGPONをそれぞれカバーするIEEEとITU規格に匹敵するWDM-PON標準の策定でしょう。10G PONソリューションは引き続き大きなコスト圧力にさらされるでしょうが、WDM-PONの業界標準の採用は開発の集中化とWDM-PONコンポーネントのコスト削減に役立ちます。初期設定コストとOLTポート密度といった初期の課題が解決されるにつれて、WDM-PONの導入は拡大し続けるでしょう。これは、10G PONやその他の次世代FTTHソリューションに代わる、非常に現実的な標準ベースの選択肢となるでしょう。