色分散の限界を解説：なぜ 400G-DR4 は 2.5 km で失敗するのか
2.5 km における 400G-DR4 の O-band 色分散の計算、およびその失敗の真因が分散ではなく 802.3bs の 3 dB 挿入損＋3 dB ペナルティ配分である理由。
短い答え
500 m では安定し 2.5 km で崩れる 400G-DR4 リンクは、ほとんどの場合色分散が原因ではない。400GBASE-DR4 が占有する 1304.5–1317.5 nm の帯域では、標準的な G.652 ファイバの寄与は約 0.6 から 1.6 ps/(nm·km) であり、2.5 km では 1.5 から 4 ps/nm が蓄積する。53.125 GBd ではシンボル周期は 18.8 ps であり、0.1 nm の光源幅に対する 4 ps/nm の分散はパルスを 0.4 ps だけ移動させる。これはアイを閉じるような機構ではない。
2.5 km で尽きるのはバジェットである。IEEE 802.3bs は 400GBASE-DR4 に 6 dB の電力バジェットを与えているが、そのうち 3 dB はペナルティ配分であり、チャネル挿入損は 3 dB のみで、規格は追加の挿入損を明示的に 0 dB と許容している。距離を 2.5 km に延ばすとファイバ項は 0.25 dB から約 1.25 dB へ増え、これはコネクタ許容値から直接引かれ、一方で余分な嵌合対からのマルチパス干渉（MPI）と反射は、本来それらを補うためではないペナルティ配分を消費する。
したがって分散は 2.5 km の DR4 故障の誤った容疑者である。正しい容疑者は損失、端面品質、反射、FEC マージンであり、以下の計算がそれらを見分ける方法を示す。
O-band における分散の姿
ITU-T G.652 はゼロ分散波長を固定していない。λ₀ を 1300 から 1324 nm の間のいずれかと許容し、ゼロ分散スロープ S₀ を最大 0.092 ps/(nm²·km) とする。分散はこの二つの数値から決まる。
D(λ) = (S₀ / 4) · (λ − λ₀⁴ / λ³)
λ₀ 近傍では線形近似 D ≈ S₀·(λ − λ₀) は約 5% の精度内にあり、計画には十分である。λ₀ の 24 nm の幅こそが、ともに G.652 適合証明を持つ二つのファイバが同一波長で数 ps/(nm·km) も異なり得る理由であり、到達距離の計算には典型的なファイバではなく最悪値を用いなければならない理由でもある。
| 波長 | λ₀ = 1300 nm の D | λ₀ = 1310 nm の D | λ₀ = 1324 nm の D |
|---|---|---|---|
| 1271 nm（FR4 レーン 0） | −2.76 ps/(nm·km) | −3.76 | −5.19（最悪値） |
| 1291 nm（FR4 レーン 1） | −0.84 | −1.79 | −3.15 |
| 1304.5 nm（DR4 下端） | +0.41 | −0.51 | −1.83 |
| 1311 nm（FR4 レーン 2） | +1.00 | +0.09 | −1.21 |
| 1317.5 nm（DR4 上端） | +1.58（最悪値） | +0.68 | −0.60 |
| 1331 nm（FR4 レーン 3） | +2.75 | +1.89 | +0.64 |
| 1550 nm（C-band 基準） | +18.0 | +17.5 | +16.7 |
DR4 帯は曲線の平坦な部分にある。最悪値 1.58 ps/(nm·km) に対し C-band では 17 ps/(nm·km)。そして 1311 nm は適合ファイバであればどれも分散ゼロであり、これが初期の単一モードシステムと今日のデータセンター光学的実装がこの近傍を選んだ理由である。
ps/nm から実際のペナルティへ
一次のパルス広がりは、分散、長さ、光源幅の積である。
Δτ = D · L · Δλ
強度変調信号にとってより有用な量は、二つの変調側波帯が逆相で到達しファイバ応答がヌルになる周波数である。
f_notch = √( c / (2 · D·L · λ²) )
両式ともチャープを無視するが、保守的であり、まず問うべき唯一の問い——分散はそもそも影響し得るか——に答える。f_notch をレーンのナイキスト周波数と比較せよ。53.125 GBd の PAM4 では 26.6 GHz、25.78 GBd の NRZ では 12.9 GHz。
| シナリオ | D | D·L | 0.1 nm 光源の Δτ | f_notch |
|---|---|---|---|---|
| DR4、1317.5 nm で 500 m（最悪値） | 1.58 ps/(nm·km) | 0.8 ps/nm | 0.08 ps | 333 GHz |
| DR4、1317.5 nm で 2.5 km（最悪値） | 1.58 | 4.0 ps/nm | 0.40 ps | 149 GHz |
| FR4、1331 nm で 2 km（最悪値） | 2.75 | 5.5 ps/nm | 0.55 ps | 126 GHz |
| FR4、1271 nm で 2 km（λ₀ = 1324 nm） | 5.19 | 10.4 ps/nm | 1.04 ps | 95 GHz |
| ER4 級、1309 nm で 40 km | 1.40 | 56 ps/nm | 5.6 ps | 40 GHz |
| 100GBASE-LR4、1311 nm で 10 km | 1.21 | 12 ps/nm | 1.2 ps | 85 GHz |
| C-band、1550 nm で 80 km | 17.0 | 1360 ps/nm | 136 ps | 6.8 GHz |
すべての O-band ケースでヌルは少なくとも 95 GHz——400G レーンの 26.6 GHz ナイキスト周波数の 3.5 倍。80 km の C-band ケースは 6.8 GHz でヌルになり、10G NRZ 信号の要求を下回る。これが典型的な分散限界リンクであり、まったく別の領域である。
40 km の ER4 級の行が中間である。40 GHz のヌルは 25.78 GBd 信号を即座に殺すことはないが、帯域内の位相曲率が規格が配分する 2.5 dB の TDP を実際に消費する。
実際に尽きるバジェット
以下は 802.3bs の DR4 リンクモデルであり、注意深く読む価値がある。
| パラメータ | 400GBASE-DR4 値 |
|---|---|
| 電力バジェット（最大 TDP 時） | 6 dB |
| 動作距離 | 500 m |
| チャネル挿入損 | 3 dB |
| ペナルティ配分（最大 TDP 時） | 3 dB |
| 許容される追加挿入損 | 0 dB |
6 dB はファイバ 6 デシベルではない。その半分はペナルティであり、「追加の挿入損許容 = 0 dB」の行は、ペナルティの余裕をケーブルの追加と交換することを禁じる。では 3 dB のチャネル挿入損が何から成るかを見てみよう。規格はこれを、定格距離に 1304.5 nm で 0.5 dB/km を掛け、接続および融着損の配分を加えたものとして計算する。
| 項目 | 500 m 設計 | 2.5 km 設計 |
|---|---|---|
| 0.5 dB/km 配分のファイバ | 0.25 dB | 1.25 dB |
| 残りのコネクタ／溶接許容 | 約 2.75 dB | 約 1.75 dB |
| 0.35 dB/km の実装ファイバ（典型） | 0.18 dB | 0.88 dB |
| MPO-12 APC 嵌合対、両端（典型） | 0.70 dB | 0.70 dB |
| 1 つのパッチパネルアダプタ対 | 0.50 dB | 0.50 dB |
| 溶接筐体（2 溶接） | 0.20 dB | 0.20 dB |
| 現実的合計 | 1.58 dB | 2.28 dB |
下から二行を三行目と見比べよ。両端に MPO を一つずつ、パッチパネルを一つ持つ 2.5 km のトランクは約 2.3 dB となる——3 dB のチャネル損失内だが、500 m の基準設計が 1.4 dB 残したところにわずか 0.7 dB しか残さない。この 0.7 dB が、再研磨コネクタ、最大損失 MPO 対（通常 0.35 dB ではなく 0.75 dB と仕様化される）、汚れた端面、あるいは測定を誤った融着のための全許容値であり、いずれもペナルティ配分から借りることはできない。
これが現場報告が食い違う理由である。2.3 dB のリンクは動く。最大損失 MPO 対、APC アダプタの UPC プラグ、3.4 dB TDECQ 限界付近のモジュールを伴う 2.5 dB のリンクは動かない。故障したのは距離ではなく、スタックである。
なぜ規格は 500 m で止まるか
四つの機構が距離一般ではなく基準チャネルに固定されている。
- TDP/TDECQ は導出ではなく測定される。 送信機は、そのチャネルの分散と MPI を含む定義されたチャネルに対して特性評価される。それを超えては何も約束されない。0.7 dB のマージンをもってしても「ほぼ平坦」はゼロではない。
- MPI は損失ではなくノイズフロアである。 各余分な嵌合対は、干渉が信号依存であり、受信電力を変えずに BER を劣化させる二重反射経路を追加する。「Rx 電力は正常だがリンクは不良」の最も一般的な原因である。
- 反射はインタフェースとともに増大する。 802.3bs は最大離散反射を −35 dB、受信機反射を −26 dB に制限する。APC アダプタの UPC プラグ一つで両方に局所的に違反し得る。
- マージンを取り戻すモジュール内 FEC はない。 DR4 はホストの KP4 RS(544,514) 符号に依存し、その pre-FEC 閾値は約 2.4×10⁻⁴ BER である。その閾値近傍では、1 dB の余分なペナルティが post-FEC エラーにほぼ一対一で変換される。
一般的な会計手法——スパン損、ペナルティ、マージン、および各デシベルの出所——は 400G/800G リンクバジェット解説 に示されている。どの文書がどの PMD を定義するかの規格ごとの対応は IEEE 802.3 400G/800G 規格マップ にある。
分散が実際に効くところ
| インタフェース | バンド／レーン | 定格到達距離 | 蓄積 D·L | 実際に制限するもの |
|---|---|---|---|---|
| 400GBASE-DR4 | 1304.5–1317.5 nm、8 本の並列ファイバ | 500 m | ≤ 0.8 ps/nm | 挿入損、MPI、反射 |
| 400GBASE-FR4 | 4 CWDM レーン、1271–1331 nm、デュプレックス | 2 km | ≤ 10.4 ps/nm | 損失とペナルティ配分 |
| 400GBASE-ER8 | 8 LAN-WDM レーン、O-band | 40 km | 数十 ps/nm | TDP 配分、受信感度 |
| 100GBASE-LR4 | 1310 nm 付近の 4 LAN-WDM レーン | 10 km | ≈ 12 ps/nm | 損失、分散ではない |
| 10G/25G（C-band） | 1550 nm、単一 λ | 40–80 km | 680–1360 ps/nm | 真の分散限界 |
| 400ZR コヒーレント | C-band、DSP 等化 | 80–120 km | 1360–2040 ps/nm | OSNR、残差 CD ではない |
分散が設計上の制約になるのは、ケーブルを長くしたときではなく O-band を離れたときである。 コヒーレント 400ZR は、10G 直接検波リンクを破壊する同じ 1360 ps/nm を、代わりに OSNR で支払って運ぶ。詳細は 400ZR OSNR 計算 を参照。
2.5 km DR4 リンクの診断
flowchart TD
A[Link down or high BER] --> B{DDM Rx power within<br/>rated range?}
B -- No --> C[Loss problem: measure IL<br/>against 3 dB budget]
B -- Yes --> D{Endface polish matches?<br/>APC vs UPC, MPO clean?}
D -- No --> E[Clean or replace cord<br/>re-test pre-FEC BER]
D -- Yes --> F{Pre-FEC BER near<br/>2.4E-4 KP4 threshold?}
F -- Yes --> G[Reflectance or MPI:<br/>count mated pairs,<br/>check ORL, swap worst cord]
F -- No --> H{All lanes degraded<br/>or only some?}
H -- Some --> I[Swap module and cord,<br/>compare TDECQ/DDP]
H -- All --> J[Distance exceeds spec:<br/>move to FR4 duplex<br/>or ER8/ZR]まず電力。安価で定量的である。次に研磨と清浄度、これが限界リンクにおける収益率の最も高い修正である。次に BER 構造——八つのレーンすべてが同時に劣化すれば設備や距離を示し、一つか二つの劣化レーンはモジュール、コード、あるいはトランク内の一本の不良ファイバを示す。完全な切り分け手順、ポートがダウン状態から抜け出さない場合を含め、リンクアップしないトラブルシューティングガイド にある。
2.5 km ケースの実践的規則
- 500 m を崖ではなく契約として扱え。 2.2 dB の 2.5 km DR4 リンクは長年動くかもしれないが、仕様外である。保証された TDECQ も、保証された MPI 耐性もなく、新ロットのモジュールが異なる挙動を示しても遡及不能である。
- キロメートルだけでなく嵌合インタフェースを数えよ。 APC 対あたり 0.35 dB では、一つの余分なパッチパネルはファイバ 1 km と同じコストである。デュプレックス FR4 リンクは六つのファイバと二つの MPO インタフェースを削除する——これが DR4 トランクが動かないところで生き残る真の理由であることが多い。
- 反射を明示的に見積もれ。 あらゆる箇所で APC、初回点灯前に端面を清浄に、限界リンクでは ORL を検証せよ。損失は DDM で測定できるが、反射は見えない。
- Rx 電力ではなく温度に対する pre-FEC BER を監視せよ。 熱ドリフトは送信機の TDECQ とコネクタ損失の両方を動かす。応答するのは BER である。
- リンクが準拠でなければならないなら、インタフェースを変えよ。 ER8 またはコヒーレント 400ZR オプションは議論を完全に消し、QSFP-DD vs OSFP 比較 がその決定のパッケージ側を扱う。
結論
- 1310 nm を 2.5 km で、蓄積分散は 1.5–4 ps/nm で分散ヌルは 140 GHz 以上——限界機構となることから三桁離れている。
- 2.5 km における DR4 の故障モードはバジェットの算術である。1.25 dB のファイバが 0.25 dB を置換し、コネクタ許容値は 2.75 dB から 1.75 dB へ落ち、3 dB のペナルティ配分は損失に法的に費やせない。
- 分散が束縛する制約になるのは C-band であり、そこでは 80 km の G.652 が 1360 ps/nm を蓄積しヌルは 6.8 GHz に落ちる。
- 順序 電力 → 研磨 → BER 構造 → 距離 で診断せよ。分散のせいにすると、この波長には存在しない補償器を探しに行くことになる。
IEEE 802.3bs および 802.3cu の PMD パラメータ、ITU-T G.652 分散仕様、および公開されたトランシーバデータシートから編纂。すべての計算は本ノートのために再計算、オリジナルの総合、転載不可。
FAQ
- 400G-DR4 は 2 km で動作しますか？
- 仕様上は動作しません。IEEE 802.3bs は 400GBASE-DR4 を 500 m、チャネル挿入損 3 dB で規定し、追加の挿入損を 0 dB としています。2 km の区間は通常 1.5–2.2 dB の損失で、しばしばリンクアップしますが、500 m のコネクタ許容値を超える 1 dB ごとに契約外となるため、設計点ではなく設計上のリスクとして扱ってください。
- 50G PAM4 レーンはどの程度の色分散に耐えられますか？
- 53.125 GBd ではシンボル周期は 18.8 ps であり、O-band の 400G レーンは送信機・分散ペナルティ 2.5 dB（DR4）または TDECQ 3.4 dB（FR4）で規定されます。実際には数十 ps/nm は無害です。ペナルティが顕在化するのは蓄積 D·L 積が数百 ps/nm に達したときで、1310 nm では数十 km を要し、2.5 km ではありません。
- 2.5 km でわずか約 1 dB しか増えないのに、なぜ DR4 は 500 m で止まるのですか？
- 規格の 3 dB チャネル損失にはすでにコネクタと融着の許容値——500 m のファイバを差し引くと約 2.75 dB——が含まれているからです。2.5 km へ延ばすとファイバ項は約 1.25 dB に上がり、その 1 dB を静かにコネクタ許容値から奪い、さらに余分な嵌合対からのマルチパス干渉と反射がペナルティを上乗せします。
- 2.5 km の DR4 リンクがアップしないとき、まず何を確認すべきですか？
- 何よりも先に端面の研磨と清浄度を確認してください。APC MPO アダプタへの UPC プラグ、あるいは汚れた 12 芯端面は、人々が分散に帰するまさにその症状——正常な受信電力、上昇する pre-FEC BER、post-FEC でエラーフリーにならないリンク——を引き起こします。
- 1310 nm で分散補償が必要になることはありますか？
- いいえ。O-band 全体で D が約 −5 から +3 ps/(nm·km) の間にあり、2.5 km 区間の蓄積は数 ps/nm であり、結果のヌル周波数は 100 GHz を十分に上回ります——53.125 GBd 信号のナイキスト周波数の 3 倍以上です。分散補償は 1550 nm の C-band に属し、そこでは 80 km の G.652 が約 1360 ps/nm を蓄積します。