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Press Release

超高速PLZT光スイッチを採用した波長多重伝送切換装置を開発

―世界初、8K映像データの無瞬断切換で消費電力を1/4に削減―
2017年6月6日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
株式会社オーエー研究所
エピフォトニクス株式会社

NEDOのプロジェクトで(株)オーエー研究所とエピフォトニクス(株)は、8K映像データの乱れない切換を実現し、放送局向けのネットワークシステムの消費電力を約1/4に削減可能な波長多重伝送切換装置を開発しました。

本装置は、高速切換性能と省電力性をもつ超高速PLZT光スイッチを採用したもので、世界で初めて8K非圧縮データに対し、電気変換を伴わず光のままで映像乱れの無い無瞬断切換を実現しました。これらの成果を活用して、今後さらにデータセンタ向けネットワークの省電力化を目指します。

  • DWDM波長多重伝送切換装置の写真
    図1 システムに組み込んだDWDM波長多重伝送切換装置

1.概要

インターネットや携帯電話等のトラフィック※1の80%以上がデータセンタ内およびデータセンタ間であり、消費電力増加が大きな問題となっています。2000年から2006年で消費電力は倍増、2020年には2010年比5倍の消費電力増加が予想され、この消費電力増加を解決するのは喫緊の課題となっています。このような背景の中、NEDOは、データセンタに光ネットワーク技術を適用する省電力化に取り組んでいます。データセンタ向けの光ネットワークシステムの事業化の確実性を高めるためには、同システム以外にも光ネットワーク技術を適用し安定稼働の実績を作ることが重要であるため、省電力化を目指した放送局向けネットワークシステムの助成事業※2にも取り組んできました。今般、このプロジェクトでの最初の研究成果として放送局向けネットワークシステムの省電力化について株式会社オーエー研究所は、エピフォトニクス株式会社が開発したナノ秒オーダーの光導波路高速切換性能※3と、省電力性を有する超高速PLZT光スイッチ※4を光レイヤ1スイッチ※5に採用したDWDM※6波長多重伝送切換装置を開発しました。本装置は、PLZT光スイッチの高速切換性、省電力性の技術を適用したもので、世界で初めて8K非圧縮データ※7に対し電気変換を伴わず光のままの通信で映像乱れの無い無瞬断切換を実現し、既存電気スイッチを採用した無瞬断切換と比較して消費電力を約1/4に削減しました。

2.今回の成果

(1) 放送局向けDWDM波長多重伝送切換装置の開発
従来の8K非圧縮データ伝送機器に採用されているインタフェースであるU-SDIは、複数のマルチモードファイバーから構成されたケーブルで、850nm波長の光信号を用い、144Gbpsを超える大容量の映像データを伝送しています。U-SDIを構成する複数のマルチモードファイバーは、コア内を光信号が全反射して進むモード分散により信号波形が劣化することから長距離伝送に向いておらず、スタジオ機器間等の運用に限られていました。また、映像乱れの無い切換を実現するためには、大容量メモリー、大規模FPGA※8等を使用する必要があり、さらに、全ファイバーの光信号を電気変換し、映像切り換え後、再度、光変換処理が伴うことから、消費電力増大が課題となっていました。今回、これらの課題を解決するために、DWDM波長多重伝送切換装置を開発しました。
(2) 消費電力を1/4に削減
図2に示すように、経路切り換えに電気スイッチを用いる従来機器では、光→電気→光の変換を伴うため、数百ワットオーダーの電力を消費します。今回の開発において、光のまま経路切り換え可能なPLZT光スイッチ自体の消費電力は、0.001ワットオーダーです。さらに、データ中のブランキング領域※9を監視するためにのみ光→電気に変換し、PLZT光スイッチ制御を行いました。この結果、消費電力を既存電気スイッチとの比較で約1/4に削減しました。

図2 消費電力削減効果
(3) 映像無瞬断切換に成功
本開発では、図3に示す8K非圧縮映像データ中、映像切り換えポイントとして割り当てられているブランキング領域(約6マイクロ秒)を検出、PLZT光スイッチを制御し、波長多重された光信号のまま一括で経路切り換えを行う手法を確立しました。

図3 映像データイメージ

図4に示すようにPLZT光スイッチ自体の切換時間は、約4ナノ秒内に収まっています。この高速切換性能により映像乱れが発生しないブランキング期間内での経路切り換えを成功させることができました(特許出願済)。

これは、従来のMEMS※10等の切り換え時間がミリ秒オーダーの光スイッチでは実現できませんでした。


図4 PLZT光スイッチ切換時間(10.692Gbps変調光使用)と観測ポイント
-切換ポイントをデジタルオシロスコープで測定した結果-

3.今後の予定

NEDOは、今回の成果をもとに、データセンタ向けのシステムに展開、さらなる研究開発を推し進め、2023年に省エネ効果量2.6万㎘、2030年には21.2万㎘を目指します(原油換算)。

また、この装置を組み込んだシステムをデータセンタ内のToR※11間接続に適用することで、切換速度が遅い従来の光スイッチと比較して、トラフィック当たりの消費電力を1/10以下への削減を目指します。

【用語解説】

※1 トラフィック
インターネットやLANなどのコンピューターなどの通信回線において、一定時間内にネットワーク上で転送されるデータ量
※2 助成事業
「戦略的省エネルギー技術革新プログラム/データセンタ・放送局ネットワーク向け超高速PLZT光レイヤ1スイッチの開発」
※3 ナノ秒オーダーの光導波路高速切換性能
10億分の1秒オーダーの光信号経路の切換に関する性能。
※4 超高速PLZT光スイッチ
PLZTは、鉛(Pb)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)の酸化化合物。PLZT光スイッチは、半導体基板上に単結 晶状薄膜を形成することにより実現した導波路型光信号の切換えスイッチ。
※5 光レイヤ1スイッチ
レイヤ2のMACアドレス、レイヤ3のIPアドレスに依存しない物理層の光スイッチ。
※6 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)
高密度波長分割多重を指し、一本の光ファイバーに波長の異なる複数の光信号を重ねて伝送することで、複数の回線を 束ねたのと同じように利用する通信方式。
※7 8K非圧縮データ
日本放送協会(NHK)が次世代放送の位置づけとして開発した8Kスーパーハイビジョン(現行のハイビジョン画質の16倍) にて扱う映像データにおいて、一般社団法人電波産業界にて、ARIB STD-B58として規格化された10.692Gbpsの光リン ク信号を最大24リンク使用して伝送する圧縮処理されていない生データを指す。この複数の光リンク信号を1本のケーブ ルで伝送できるインタフェースをNHK放送技術研究所が開発し、U-SDI(Ultrahigh-definition Signal/Data Interface)と称し ている。
※8 FPGA(Field-Programmable Gate Array)
設計者によるプログラムにより、任意の複雑な回路/機能を構成可能なデバイス。
※9 ブランキング領域
ARIB STD-B58および、同法人にて規格化されたBTA S-005Cにて定義され、有効映像データが割り付けられた領域以外 を指す。
※10 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)
微細加工で作られたマイクロミラーを利用した光スイッチ。
※11 ToR(Top of Rack)
複数のサーバを収納し、各サーバ間を束ねるための電気スイッチを配置したラックを指す。データセンタでは、これらの ToRが複数配置され、さらに各ToR間の接続を行うためのスパインスイッチと呼ばれる電気スイッチが上位に配置されてい る。

4.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO 省エネルギー部 担当:立岩、岩坪 TEL:044-520-5281
(株)オーエー研究所 営業グループ 担当:山ノ井 TEL:0467-48-0251

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:坂本、髙津佐、藤本 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp