数百キロメートルにわたり、1本の光ファイバーで100ギガビット、あるいは400や800を伝送するには、高速レーザーだけでは不十分です。光の強度だけでなく位相や偏波にもデータを符号化する伝送技術、コヒーレント光学が必要です。
コヒーレント光通信は、長距離インターネット基幹網、海底ケーブル、さらに都市圏やデータセンター相互接続（DCI）で広く使われる技術です。このガイドでは仕組みと必要となる場面を解説します。
直接検波とコヒーレント検波の比較
直接検波（強度変調）
従来の光トランシーバーは**強度変調／直接検波（IM-DD）**方式を使用します。
- レーザーを点滅させる（または強度を変化させる）ことでビットを符号化します
- 受信器は光の強さを測定します。明るい場合は1、暗い場合は0です。
- シンプル、低コスト、低消費電力
- 短距離では波長あたり約 100 Gbps に制限
コヒーレント検波
コヒーレント光トランシーバーは光の特性を最大限に活用します：
- **位相：**光波が振動するタイミング
- 振幅： 波の強さ
- 偏波：波の向き（水平および垂直）
データを3次元すべてに同時に符号化することで、コヒーレント方式はスペクトル効率、つまり光帯域幅1 Hzあたりのビット数を大幅に高めます。
コヒーレント伝送の仕組み
1。変調方式
| 形式 | シンボル当たりのビット数 | スペクトル効率 | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|
| BPSK | 1 | 低い | 長距離、高い耐ノイズ性 |
| QPSK | 2 | 中程度 | 100G長距離伝送 |
| DP-QPSK | 4（2極 × 2） | 中～高 | 100G規格 |
| 16-QAM | 4 | 高い | 200G/400Gメトロ |
| DP-16QAM | 8 | 非常に高い | 400G |
| 64-QAM | 6 | 非常に高い | 800G、短距離 |
| DP-64QAM | 12 | 最も高い | 800G+ |
DP-QPSK（偏波多重直交位相シフトキーイング）は100Gコヒーレント方式を支えた代表的な変調形式です。X偏波とY偏波の2つを使い、それぞれQPSK変調データを伝送します。合計4ビット／シンボルです。
高次のQAMでは1シンボルにより多くのビットを詰め込めますが、より高い信号対雑音比（SNR）が必要となるため、伝送距離は短くなります。
2。デジタル信号処理（DSP）
コヒーレント光通信を実現する主要技術は、次の機能を備えた専用チップであるコヒーレントDSP ASICです。
- 送信機で複雑な変調信号を生成します。
- 受信側でデジタルアルゴリズムを使って信号を復元
- 色分散（CD）を補償し、外部DCMモジュールを不要にします
- 偏波モード分散（PMD）を補償します
- 前方誤り訂正（FEC）を実行
Acacia、Inphi/Marvell、Cienaなどの企業が提供する最新のコヒーレントDSPは、蓄積した数千キロメートル分の分散をリアルタイムに補正できます。
3. 局部発振器レーザー
受信側では局部発振器（LO）レーザーを使用します。これは受信信号と同じ周波数に調整された線幅の狭いレーザーです。受信信号とLOレーザーを混合することで位相検出が可能になり、直接検出では実現できない測定を行えます。
主なコヒーレントトランシーバーのフォームファクター
CFP / CFP2 / CFP4
初期の100Gコヒーレント形状。大型で消費電力が大きく、ほとんどは旧式です。
QSFP28コヒーレント
QSFP28フォームファクターでの100Gコヒーレント伝送。メトロDCI向け。例：Cisco CPAK、Ciena WaveLogic Nano。
QSFP-DD / OSFP（400G ZR/ZR+）
400Gコヒーレント方式の現行世代：
- 400G ZR（OpenROADM / OIF規格）：最大120 km、プラガブルで相互運用可能
- 400G ZR+：長距離仕様（500–1,000 km）、ベンダー独自の拡張機能
- フォームファクター：QSFP-DD、OSFP
- 電力：モジュールあたり15–20 W
800G以降
800Gコヒーレントモジュール（OSFP、QSFP-DD800）が量産に入り始めています。DP-64QAMまたは確率的コンステレーションシェーピング（PCS）を使い、波長あたり800 Gbpsを実現します。
コヒーレントDWDM：容量の拡大
コヒーレントトランシーバーは通常、単一ファイバーに複数の波長を多重化する**DWDM（高密度波長分割多重）**と組み合わせて使用します：
- **Cバンド：**1,530–1,565 nm、約96チャネル、間隔50 GHz
- Lバンド：1,565–1,625 nm、約96チャンネルを追加
- **C+Lバンド：**約192チャネル × 400 Gbps = 1ファイバーペア当たり約76.8 Tbps
各波長が独立したコヒーレントチャネルを伝送します。理論上、1対のファイバーで毎秒ペタビット単位の伝送が可能です。
コヒーレント伝送と直接検波：使い分け
| シナリオ | 推奨 |
|---|---|
| データセンター内（<2 km） | 直接検波（SR4、DR4） |
| キャンパス／短距離（2–10 km） | 直接検波（LR4、FR4） |
| メトロDCI（10–80 km） | コヒーレントZRまたは直接検波（ER4） |
| 地域仕様（80–300 km） | コヒーレントZR / ZR+ |
| 長距離（300–3,000 km） | EDFA増幅を用いるコヒーレント伝送 |
| サブマリン（3,000–20,000 km） | ラマン＋EDFAとのコヒーレント伝送 |
コヒーレント方式が費用対効果の高い選択肢となる境界は下がり続けています。現在は400G ZRモジュールにより、従来は直接検波方式を使っていたメトロDCIリンクでもコヒーレント方式が現実的になりました。
光増幅 EDFAとラマン
コヒーレント信号も距離とともに減衰します。2つの増幅技術で到達距離を延ばします。
EDFA（エルビウム添加ファイバー増幅器）
- Cバンドの全波長を同時に増幅
- 長距離ルートでは 60–100 km ごとに設置
- 各段でOSNRが劣化し、ノイズが増加
- 地上長距離通信の標準技術
ラマン増幅
- 利得媒体としてファイバー自体を使用
- 分散増幅 — ノイズの蓄積を抑制
- 海底ケーブルおよび超長距離の陸上ルートに使用
- EDFAと組み合わせることが多い（ハイブリッドRaman/EDFA）
OSNR：重要な性能指標
**光信号対雑音比（OSNR）**は、エラーが許容できなくなる前にコヒーレント信号をどこまで伝送できるかを左右します。高次の変調方式（64-QAM）では、低次方式（QPSK）より高いOSNRが必要です。
コヒーレントDSPのFEC（前方誤り訂正）は、非常に高いビット誤り率（軟判定FECではFEC前BER最大2×10⁻²）の信号を復元し、伝送距離を大幅に延長できます。
概要
コヒーレント光通信は、光の強度だけでなく位相、振幅、偏波にデータを符号化し、大容量かつ長距離の光伝送を実現します。要点：
- DP-QPSKは100G長距離伝送の標準。400G/800GにはDP-16QAMとDP-64QAMを使用
- コヒーレントDSP ASICが分散補償をデジタル処理するため、外部DCMは不要です
- **400G ZR/ZR+**は QSFP-DDフォームファクターにおける、プラガブル・コヒーレントの現行標準です
- メトロDCI（10+ km）およびすべての長距離用途にはコヒーレント光伝送を使用
- DWDMで容量を拡張：C+Lバンドでは1組の光ファイバーで100 Tbps以上を伝送可能
CZT は、データセンターおよび通信用途向けの光トランシーバーと接続ソリューションを提供しています。互換製品については、光コネクターとトランシーバーの製品ラインアップをご覧ください。
