光トランシーバとは

THEME 08 デバイスと回路 · 光半導体Optical Transceiver

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光トランシーバとは、電気の信号と光の信号を相互に変換して、光ファイバとやり取りする送受信部品です。 送信と受信を担う光伝送システム構成部品の1つで、送信部と受信部から構成されます¹。

光ファイバの中を進むのは光で、基板の上を進むのは電気です。その間の翻訳を、装置の前面パネルへ差し込める小さな箱に収めたものが光トランシーバです。

中身は送る側のTOSAと受ける側のROSAの2組

光モジュールはOSA（Optical SubAssembly）という小型モジュールを土台にしており、送信部をTOSA、受信部をROSAと呼びます。これらには、半導体レーザー（LD）、受光素子（PD）、レンズなどの光学部品、プリアンプIC、受動電気部品が実装されます。

送る側の役目は、電気の0と1を光の強弱へ移すことです。送信器はLDと駆動IC、そして自動光出力制御（APC）回路から主に構成されます。LDの光出力を低速信号用のPDで監視して直流の電気信号へ変え、演算増幅器で基準値と比べて駆動回路の電流源制御端子へ送り返し、光出力の強さを一定に保ちます。

受ける側は逆の順路です。受信器は高速通信用のPDと増幅回路から構成され、プリアンプが受光電流を電圧へ変えて増幅し、ポストアンプが識別再生回路の入力に合う振幅まで等化増幅します。

PON向けの構成では、1本の光ファイバで両方向を通します。波長分割多重（WDM）フィルタが送信光の波長を透過し、受信光の波長を反射するので、TOSAとROSAとWDMフィルタが1つの筐体へ組まれます。

1本のファイバへ、2つの向きが合流します

送信側はLD駆動ICとTOSAが電気を光へ移し、受信側はROSAと増幅回路が光を電気へ変えます。WDMフィルタが送信光を透過し受信光を反射するため、1心の光ファイバで両方向が成り立ちます。

外形と電力の枠は、MSAという業界規格が決める

光トランシーバでは、ベンダ間の相互互換性を目的として、サイズ、ピン配置、機能、光と電気のコネクタ形状、監視制御インタフェースを共通規格として策定することが一般的になっています²。この規格がMulti-Source Agreement（MSA）です。中身は各社が競い、外枠は共通にします。装置メーカーは差し込む口を用意すれば、どの会社の製品でも同じ場所へ挿せます。

同じ40Gbit/sでも、枠は複数あります。40Gbit/s用のMSA規格として2009年にCFPが策定され、その後にQSFP+が導入されました。全長はCFPが144.75mm、QSFP+が72.4mm、全幅は82.0mmと19.0mm、端子数は148と38です。消費電力クラスはCFPが8W、16W、24W、32W、QSFP+が1.5W、2.0W、2.5W、3.5Wです。1枚のラインカードへの最大搭載数は、CFPが8（クラス1の場合）、QSFP+が44です。

同じ40Gbit/sでも、枠が変われば載る本数が変わります

同じ40Gbit/sを運ぶ規格でも、外形と消費電力の枠が変われば、1枚のラインカードへ載る本数は8本から44本まで動きます。光トランシーバの設計は、この枠へ収める作業から始まります。

CFPは機能が豊富で大きく、QSFP+は小さく電力が低い

住友電気工業は、CFPが公衆通信網への適用を念頭に開発されたため制御と監視の機能が豊富で、クロックデータリカバリを内蔵することでシグナルインテグリティに優れる一方、サイズは大きくなり、高密度実装での採用は難しいとしています。QSFP+は大幅な小型化と低消費電力化を実現した代わりに、制御と監視の機能を一部簡略化しています。

同社は開発したQSFP+で、LDと並列のトランジスタをスイッチングしてLDの電流を変調するシャント駆動を4チャネルへ拡張し、消費電力の目標を、MSAで許容される最大値の3.5W（クラス4）よりも低い2.5W（クラス3）に定めました。

消費電力を下げると、電力費が減るうえに放熱の要件が緩み、光トランシーバの小型化へつながります。それが機器の小型化や高密度実装を通じて、単位面積あたりで運べるデータ量の改善へ届きます。

400Gbit/sでは、光源が53GBaud対応のEMLに入れ替わる

データセンタ内の光ネットワークでは、400Gbit/sの光トランシーバを導入する動きが本格化しています³。DR4やFR4といった規格では、変調速度53GBaudのPAM4動作に対応した電界吸収型変調器集積レーザー（EML）が使われます。住友電工グループは1271nm、1291nm、1311nm、1331nm帯のEMLを開発し、4波長帯すべてで400Gbit/s光トランシーバの要求仕様を満たしたとしています。

短い距離では別の光源が向きます。VCSELは1990年代後半に、イーサネットに代表される1Gbps以上の高速光データリンク用の低価格光源として実用化されました⁴。

古河電気工業は、トランシーバをスイッチICのそばへ移す形を開発している

古河電気工業は、情報通信研究機構のBeyond 5G研究開発促進事業の委託研究で、Co-Packaged Optics向けの超小型VCSELトランシーバを開発しています⁵。電気インタフェースに0.3mmピッチのLGAを採用して7.7mm×15.9mmのフットプリントを実現し、400Gb/s信号伝送で良好な符号誤り率特性を得たとしています。前面パネルへ挿す枠から、スイッチICのそばへ移す方向です。

この向きは先進パッケージングの考え方と重なります。電気で運ぶ距離を短くして、残りを光へ渡す構成です。

よくある質問（FAQ）

光トランシーバとは何ですか？

電気の信号と光の信号を相互に変換して、光ファイバとやり取りする送受信部品です。送信と受信を担う光伝送システム構成部品の1つです。

中には何が入っていますか？

送信部のTOSAと受信部のROSAに、半導体レーザー（LD）、受光素子（PD）、レンズなどの光学部品、プリアンプIC、受動電気部品が実装されます。これらと駆動ICが1つの筐体へ収まります。

電気を光へ変えるのは、どの部品ですか？

半導体レーザーです。送信器はLDと駆動IC、そして自動光出力制御（APC）回路から主に構成されます。受信側では、受光素子が光を電流へ変え、プリアンプが電圧へ変えて増幅します。

MSA（Multi-Source Agreement）とは何ですか？

寸法、ピン配置、機能、光と電気のコネクタ形状、監視制御インタフェースを、ベンダ間の相互互換性のために定めた共通規格です。光トランシーバでは、こうした共通規格の策定が一般的になっています。

CFPとQSFP+はどこが違いますか？

全長はCFPが144.75mm、QSFP+が72.4mm、端子数は148と38です。消費電力クラスはCFPが8Wから32W、QSFP+が1.5Wから3.5Wで、1枚のラインカードへの最大搭載数はCFPが8（クラス1の場合）、QSFP+が44です。

消費電力を下げると何が良いのですか？

電力費が減るうえ、放熱の要件が緩んで小型化へつながります。それが機器の小型化や高密度実装を通じて、単位面積あたりで運べるデータ量の改善へ届きます。

400Gbit/sではどんな光源を使いますか？

DR4やFR4といった規格では、変調速度53GBaudのPAM4動作に対応した電界吸収型変調器集積レーザー（EML）が使われます。短い距離ではVCSEL（面発光レーザー）を光源にする構成もあります。

比較・違いを学ぶ

VCSEL（面発光レーザー）とは── 光トランシーバの中で光源を担う素子です

出典

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