光通信ソリューション

高精細動画配信やVRに加え、AIが牽引するデータトラフィックは、ハイパースケールデータセンターやクラウドを中心に爆発的に増加しています。その一方で電力消費も比例して膨らみ、従来型データセンターでは、帯域拡張を限られた電力枠内で調整するか、巨額のインフラ改修を強いられるという課題が顕在化しています。メトロ・長距離・アクセスの各層でも帯域拡張に向けた新方式が提案から実装へ移行し、ネットワーク設計が更新局面にあります。
こうした事情を背景に、光通信は一斉に転換点を迎えています（Beyond 5G、IOWNの取り組みも参照）。データセンター内では800Gbpsの大量展開と1.6Tbps世代への移行が進み、電力と発熱を抑える“低消費電力インターコネクト”として、シリコンフォトニクスやスイッチASICと光を近接統合するCPO（Co-Packaged Optics）・光電融合が次世代の光通信技術として注目されています。

光通信技術の中でも特に主要なデバイスが光トランシーバです。光トランシーバは、コンピュータの中を流れる「電気の信号」を「光の信号」に変えて光ファイバへ送り出し、逆に戻ってきた光信号を電気に戻す装置です。送信側ではチップから来た電気信号をドライバ回路で整えて、レーザ光の強さや位相を変える変調器に渡します。ここで情報が刻まれた光がコネクタから光ファイバへ出ていきます。受信側では、ファイバから入ってきた微弱な光をフォトダイオードで電気信号に変え、増幅器(TIA)で増幅・整形された後、コンピュータのメインのチップの受信口に入力されます。

中でも、デジタルコヒーレント光トランシーバは、位相情報や分散補償がDSPで処理できるため、光ファイバにおける色分散や波形歪みの影響を受けにくく、長距離通信が可能​なデバイスです。以下のようなメリットがあります。

• 高いスペクトル効率(伝送容量が大きい）​
• 偏波多重・位相多重​
• イコライザ、位相リカバリ、リタイマー、FEC（誤り訂正）など、柔軟で高機能な処理が可能​
• DWDMと組み合わせて超大容量化可能
• DSP技術の進化に伴い、400Gbps、800Gbps、1.6Tbpsへと拡張可能​
  
  

下図はデジタルコヒーレント光トランシーバの基本構成を示したもので、左側が送信（トランスミッター）、右側が受信（レシーバー）の図解です。
送信側では、DSPで処理された電気信号をDACを通してアナログ信号に変換し、光変調器によって光の位相や振幅に情報を載せて光ファイバに出力します。 一方、受信側では光ファイバから入ってきた微弱な光信号を局部発振器（LO）の光と干渉させて復調し、フォトダイオードで電気信号に変換した後、ADCとDSPで補正・復号して元のデータとして出力します。

コンピュータ同士がやり取りするデータ量が急増するなか、電子回路そのものは高性能化しても、チップの外と内をつなぐ“出入口（I/O）”の面積と電力損失がボトルネックになりつつあります。
そこで注目されているのが光電融合です。これは光で信号を運ぶシリコンフォトニクスを電子回路のすぐそばに配置し、同じパッケージの中に組み込む技術です。導波路・変調器・受光器・レーザといった光部品をチップ上にまとめて作ることができるため、小型・大量生産に向き、必要な電力を大きく抑えつつ帯域を広げられる利点があり、今後のAIデータセンターネットワークを支える次世代の光通信技術として注目されています。

光電融合技術は、例えば以下のような業界でメリットがあると考えられています。

これからの光通信デバイスや光電融合機器の設計においては、以下のような課題が挙げられます。

１．小型化・高集積化に伴う設計の複雑化

単位体積あたりのデータ通信量を増やすために、機器や基板の小型化・高密度実装が求められています。その結果、内部に組み込まれる光デバイスもナノ・マイクロメートルサイズへと微細化しますが、そうした微細構造内での光の振る舞いは直感的な予測が難しいのが実情です。さらに多数の微細デバイスを高密度に集積すると、機器全体やシステムレベルでの性能予測は一層困難となり、設計の難易度を押し上げています。

２．多数の設計パラメータと動作条件への対応 

光通信機器の性能には、波長、コア径、温度、材料特性、電気駆動条件など非常に多くのパラメータが影響を及ぼします。各パラメータは相互に影響し合うため、一つひとつを試行錯誤で調整していては最適解を見つけるのに膨大な時間がかかります。また、異なる動作条件（例えば温度変化や入力光強度の変動）でも性能を維持する必要があり、その検証にも手間がかかります。従来の経験則やプロトタイプ試作に頼った開発手法では、パラメータ空間を網羅的に探索することが難しく、開発サイクルの長期化につながることが課題です。

３．マルチフィジックス（多物理）な現象の考慮

光通信・光電融合デバイスの動作には純粋な光学現象だけでなく、電気的な効果や半導体中のキャリア動作、さらには発熱や熱膨張などの熱的影響も無視できません。例えば高速光変調器では、電圧印加による屈折率変化（電気光学効果）やデバイスのジュール熱による特性変化などが同時に発生します。このように複数の物理現象が複雑に絡み合うため、単一分野の解析のみでは正確な設計が困難です。光・電気・熱といったマルチフィジックス現象を統合的に考慮できる解析環境を整えない限り、設計の精度向上は頭打ちになってしまいます。

このような課題を効率よく克服するためには、シミュレーション技術（CAE）の活用が不可欠です。
サイバネットシステムでは、フォトニクス解析ツールAnsys Lumericalを中心とした光通信向けソリューションを提供しており、これらを活用することで光通信デバイス・機器の設計プロセスを大幅に効率化できます。

Ansys Lumericalは、ナノ・マイクロスケールの微細構造内での光の振る舞いを高精度に解析できるほか、光デバイスと電子回路の連成解析や、個々のデバイスモデルを組み込んだシステムレベルのシミュレーションも可能です。さらに、これら光学系ツールとAnsysの他の電磁界解析（高周波電磁界、回路シミュレータ等）や最適設計プラットフォーム（OptiSLangなど）を連携させることで、光と電気が融合した複雑な課題にも対応できる包括的な解析環境を構築できます。

ご安心ください。光通信・光電融合への挑戦は、私たちが伴走します。

これまで光通信や光電融合の領域に関わってこなかった設計者・技術者の方にとって、新しい分野への挑戦は大きな一歩です。
「専門知識が足りない」「ツールを導入しても使いこなせるか不安」「環境を立ち上げる時間や人手がない」――そんなお悩みを抱えるお客様はたくさんいらっしゃいます。
サイバネットは、そのような不安を解消するために、単なるCAEツールの販売にとどまらず、環境構築から運用定着までワンパッケージでサポートが可能です。