NTT、従来の10倍の速度でPAM4信号を生成できるICを開発――独自のDACアーキテクチャーと波形高品質化技術を適用

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内製InP-HBTとPAM4信号発生チップ

日本電信電話(NTT)は2018年10月16日、高速動作に適したDAC(Digital to Analog Converter:デジタル信号処理回路から信号を出力する際、デジタル信号をアナログ信号に変換する回路)アーキテクチャ技術と波形高品質化技術を用い、イーサネット等で採用が始まっているPAM4符号によって毎秒256ギガビットの信号生成に成功したと発表した。

イーサネット等の短距離通信はデータセンタなどに用いられ、低コスト・小型・低消費電力の送受信器が求められている。従来の短距離通信では、2つのレベル(0と1)のパルス信号として伝送するNRZ(非ゼロ復帰)符号が使われているが、将来の伝送容量増大のために、4つのレベル(00、10、01、11)のパルス信号として伝送するPAM4符号の採用が始まっている。PAM4符号では、送信する情報をアナログ的に多値電圧に変換しなければならないが、毎秒256ギガビットの高速で高品質な多値電圧波形を生成することは困難だった。

短距離光伝送装置の構成例

一般にDACでは、生成するアナログ信号のシンボルレートと同じ速度の多ビットのデジタル信号を入力する必要があり、このデジタル入力インターフェースがDAC全体の動作速度を律速する。また、DACを高速で動作させる場合、DAC内部でのビット間のスキュー(時間ずれ)による波形歪の発生や、クロック信号のデータ信号への漏れによるノイズ発生が問題になっていた。

PAM4信号生成回路の構成

波形シミュレーション(毎秒200ギガビット)

今回NTTは、高速セレクタ回路(SEL)を利用して入力をハーフレート化する独自の高速DACアーキテクチャー技術と、スキューによる波形歪を補償する歪補償遅延回路やノイズ除去バッファによる波形高品質化技術を適用したPAM4信号生成回路を、InP-HBT(インジウム燐を材料としたヘテロ接合バイポーラトランジスタ)で構築。毎秒256ギガビット(シンボルレートとして128ギガボー)の多値電圧信号生成に成功した。

現在広く使われている100ギガビットイーサネットは、1レーンあたり毎秒25ギガビットの光信号を4レーンに多重化することで生成しているが、今回の開発された技術は高速化(5倍)と多値化(2倍)により、現在実用化されている技術の10倍にあたる、1レーンあたり毎秒256ギガビットデータレートのPAM4信号を生成する。

超高速PAM4信号生成波形の実測

成果の位置付け

開発された超高速ICは高シンボルレート(128ギガボー)の高品質な多値電圧信号を生成できる。このため、次世代大容量通信システム実現に向けた100ギガボー~128ギガボーの革新デバイス研究開発や、システム検証のための計測器(信号発生器)としての活用が考えられる。また、4レーンに多重化することで毎秒1テラビット級の伝送が可能になるなど、高速多値信号が必要とされる様々な分野への展開が期待されるという。

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