OEO変換を最小化するHuber+Suhner Polatisの全光スイッチング技術

全光スイッチ（All-Optical Switch）技術の現状とその導入メリットについて解説します。
Huber+Suhner Polatis社が保有する特許技術「DirectLight™ビームステアリング」は、光信号を電気に変換せず、低遅延かつ信号劣化を抑えて接続することが可能です。従来のMEMS方式と比較して低損失であり、高い信頼性を有しています。
800Gや1.6Tといった通信速度の高速化にも柔軟に対応できるインフラとして、Polatis製品が提供する価値と技術的な詳細について説明します。

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1. 生成AIとデータ増加によるインフラへの影響（「電気変換」の限界と電力消費）

1.1. OEO変換が抱える課題

これまでネットワークスイッチングでは、光信号を電気信号に変換（OEO: Optical-Electrical-Optical）して処理する方法が一般的でした。しかし、生成AIやHPC（ハイパフォーマンス・コンピューティング）の普及により、この手法には課題が生じています。

AI学習クラスターでは、GPU間で大容量のデータ転送が行われます。これらを全てOEO変換で処理する場合、トランシーバーの消費電力が増加し、発熱への対応も必要になります ¹。Lumentum社の推計では、AIモデルの進化に伴い、データ転送に必要な電力が大幅に増加すると予測されています ⁷。効率的なインフラ運用のために、スイッチング方式の見直しが求められています。

従来、OEOスイッチ内での変換プロセスは電力消費の要因となっていました。これに対し、スパイン層（ネットワークの中核）に全光スイッチ（OCS）を導入することで、従来のOEOスイッチと比較してエネルギー消費を最大40%削減できるというデータも報告されています ¹。これは運用コスト（OpEx）の削減および企業のサステナビリティ目標達成に寄与します。

1.2. I/O帯域の拡大と消費電力

半導体の性能向上に伴い、ボトルネックはチップ間の通信（I/O）へと移行しています。イーサネット規格が400G、800G、1.6Tへと高速化するにつれ、電気スイッチでの信号処理に必要な電力も増加傾向にあります ⁹。

Huber+Suhner Polatisが提供する全光スイッチ（OOO）は、光信号を電気に変換せず、物理的に光路を切り替えます。そのため、スイッチング処理における電力消費はデータレートに依存せず一定に保たれます ³。

1.3. 長期的な利用が可能なインフラ（Future-proof）

電気スイッチの場合、通信速度の規格が変わるたびにハードウェアの更新が必要になることがあります。

一方、Polatisの全光スイッチは、プロトコルやビットレートに依存しない特性を持っています（プロトコル・ビットレートフリー）³。一度インフラを構築すれば、端末側のトランシーバーを更新するだけで、光スイッチ自体は継続して使用可能です。これにより、長期的な設備投資（CAPEX）の効率化が期待できます。

2. 従来の「MEMSスイッチ」や「手動パッチング」との比較

2.1. 手動パッチングの課題：工数とリスク

テストラボやデータセンターにおいて、手動でのケーブル差し替え作業は工数がかかるだけでなく、リスクも伴います。

高密度な配線環境での作業は、「誤抜去」「端面の汚れ」「断線」などのヒューマンエラーが発生する可能性があります⁵。

また、物理配線の変更作業のためにエンジニアが現地へ赴く必要があるため、開発サイクルの遅延要因となります。リモート操作による自動化は、これらの課題解決に有効です⁶。

2.2. 従来のMEMS方式の特徴と課題

自動化のために光スイッチ（OCS）を導入する場合、これまではMEMS（微小電気機械システム）方式が一般的でした。MEMS方式は微小なミラーを用いて光を反射させますが、いくつかの技術的な課題がありました。

• 挿入損失: 一般的に0dB〜3.0dB程度の損失が発生するため、長距離伝送などで影響が出ることがあります。
• 振動への影響: 構造上、外部からの振動の影響を受ける可能性があります ¹²。
• 光パワー依存性: ミラー制御のために光信号の一部を使用する場合があり、信号がない状態での制御が難しいことがあります。

2.3. Polatisの信頼性

Huber+Suhner Polatisは、独自のDirectLight™技術によりこれらの課題に対応しています。特に、光信号がない状態でも接続を維持できる点や、1.0dB以下の低損失性能は、従来のMEMSスイッチに対する優位点です ¹³。これにより、AIクラスタや量子鍵配送（QKD）などの用途に適しています。

3. 特許技術「DirectLight™」の解説：光路制御の仕組み

3.1. ピエゾ素子による精密制御

Huber+Suhner Polatisの技術的特徴は、「DirectLight™ビームステアリング技術」にあります。これはミラーを使わず、光ファイバー先端のコリメータ（レンズ）を直接動かして光路を調整する方式です ³。

入力側と出力側のコリメータにはピエゾ素子（圧電アクチュエータ）が取り付けられており、電圧制御によってナノメートル単位で向きを調整し、対向するポートへ光を結合させます。

この直接結合により、散乱や損失を抑え、光路長を最短に保つことができます。その結果、挿入損失は標準で1.0dB以下（Ultraシリーズではさらに低損失）を実現しています¹⁵。

3.2. 「ダークファイバースイッチング」機能

DirectLight™技術には、位置センサーが内蔵されています。

これにより、通過する光信号に依存せず、各アクチュエータの物理的な位置を監視・制御できます。そのため、光信号がない（ダークな）状態でも接続の確立と維持が可能です（ダークファイバースイッチング）³。

• 事前プロビジョニング: 通信開始前に物理的な経路を確立できます。
• 断続信号への対応: 信号が途切れるテストシナリオでも接続は維持されます。
• セキュリティ: 信号を遮断した状態で経路変更を行う運用が可能です。

3.3. 振動耐性と信号品質

ピエゾ素子による駆動と内蔵センサーによるフィードバック制御により、外部振動に対して安定した接続を維持します。

また、光の波長や変調方式に対して影響を与えません。高速な信号や量子状態の信号であっても、その特性を維持したまま通過させる高い信号忠実度（Signal Integrity）を持っています¹⁸。

4. 「8×8から384×384へ」：ポート構成と拡張性

4.1. 完全ノンブロッキング接続

Polatisの光スイッチは、**Strictly Non-Blocking（完全ノンブロッキング）**アーキテクチャを採用しています。これは、どの入力ポートからどの出力ポートへ接続する場合でも、他の接続状況に影響されず、常に接続が可能である仕様を指します ¹⁰。

この表は、H+S Polatis社の技術が、他の光スイッチング技術と比較して、いかに優れた信頼性とパフォーマンスを誇るかを示しています。

4.2. 製品シリーズとスケーラビリティ

小規模なラボから大規模データセンターまで対応するラインナップがあります。

• Series 6000 / 6000n:
  • ポート数: 8×8 から最大 192×192 ¹⁰。
  • 特徴: ラボや中規模ネットワーク向けの標準モデルです。1RUからのサイズ展開があり、スペース効率に優れます。マルチモードファイバー対応モデルもあります ³。
  • 用途: テスト自動化、回線監視、冗長化。
• Series 7000 / 7000n:
  • ポート数: 最大 384×384 ²⁰。
  • 特徴: 高密度な全光スイッチです。4RUのサイズで384対（計768本）のファイバー接続を管理できます。
  • 用途: AIデータセンターのスパイン層、大規模HPCクラスタ。

Series 7000は、384ポートの集約が可能であり、大規模なGPUサーバー群をフラットに接続する構成に適しています。

4.3. 柔軟な構成（NxCC）

入力数と出力数が固定された「NxN」構成に加え、全ポートを入出力任意に使用できる「NxCC (Customer Configurable)」構成も提供しています¹⁰。

これにより、運用の状況に合わせて入力ポートと出力ポートの比率を変更するなど、資産を有効に活用できます。

5. 管理者にとっての利点：NETCONF/RESTCONFによるSDN統合

5.1. 物理層のプログラム管理

Polatisの光スイッチはSDN（Software-Defined Networking）に対応しており、APIを通じて物理配線を制御可能です。

IETF標準のNETCONFおよびRESTCONFプロトコルをサポートしています ¹⁰。これらはYANGデータモデルに基づいており、汎用的な制御が可能です。

• NETCONF: SSHベースのトランザクションプロトコル。設定の確実な反映に適しています。
• RESTCONF: HTTPベースのプロトコル。JSONやXML形式でデータを扱いやすく、スクリプトからの制御が容易です。

5.2. 主要SDNコントローラーとの連携

業界標準のSDNコントローラーやツールと連携可能です。

• Cisco NSO: 大規模ネットワークの構成管理に統合可能。
• OpenDaylight / ONOS: オープンソースSDNコントローラーによる制御に対応 ¹⁵。
• Quali CloudShell / Spirent Velocity: ラボ自動化ツールと連携し、リソース管理と結線切り替えを自動化できます ²⁷。

5.3. 自動化の運用例

例えば、回帰テスト（Regression Test）の運用フローは以下のようになります。

1. トリガー: CI/CDパイプラインがビルド完了を検知。
2. 実行: オーケストレーターがPolatisスイッチへRESTCONFリクエストを送信し、測定器と対象機器（DUT）を接続。
3. テスト: 自動テストを実行し、結果を記録。
4. 完了: 接続を解除し、機材を解放。

このように物理層の切り替えを自動化することで、テストサイクルの短縮と夜間・休日の稼働が可能になります ⁵。

6. 採用事例：AIから量子ネットワークまで

6.1. AIデータセンターとHPC

AI学習プロセスにおけるGPU間通信では、低遅延が求められます。

Polatisの光スイッチは、通過遅延が約25ナノ秒と非常に小さく、物理的なファイバー接続と同等の低遅延を実現します ¹⁰。

また、Drut Technologiesなどのパートナー企業は、Polatisの技術を用いてリソースを物理的に分離し、動的に再構成するインフラを構築しています ²⁶。

6.2. 量子ネットワーキングとQKD

量子鍵配送（QKD）では、微弱な光子信号を扱います。信号増幅が難しいため、伝送路の損失を最小限にする必要があります。

Polatisの低損失性能（1.0dB以下）は、通信距離の確保に有利です 18。また、「ダークファイバースイッチング」機能により、信号がない状態でも経路を維持できるため、セキュリティ要件の厳しいQKDネットワークに適しています¹⁸。

6.3. 防衛・航空宇宙（RF over Fiber）

無線信号（RF）を光に変換して伝送する**RF over Fiber (RFoF)**技術において、アナログ信号の品質を維持する必要があります。

全光スイッチは電磁干渉（EMI）の影響を受けず、信号の線形性を保ったままルーティングが可能です⁶。

7. シリーズ解説と選定基準：Series 6000 & 7000

主な2つのシリーズの比較です。

Table 1: Polatis Series 6000 & Series 7000 Comparison

選定のポイント：

• Series 6000: ラボの自動化や特定用途に適しています。マルチモードファイバーが必要な場合もこちらが選択肢となります。
• Series 7000: 大規模なインフラ刷新やAI基盤に適しています。ラックスペースあたりのポート数を最大化したい場合に推奨されます。

8. よくある質問（Q&A）

Q1. MEMS方式のスイッチと比較した違いは何ですか？

A1. 主な違いは「保持力」と「損失」です。

MEMS方式は外部振動の影響を受けやすい場合がありますが、PolatisのDirectLight™（ピエゾ方式）は、位置センサーにより物理的な接続を保持するため振動に強く、光信号がない状態（ダークファイバー）でも接続を維持できます。また、挿入損失も1.0dB以下と低く抑えられています ⁴。

Q2. 既存のSDNコントローラーと連携できますか？

A2. はい、連携可能です。

業界標準のNETCONFおよびRESTCONFインターフェースを採用しており、YANGデータモデルに基づいています。Cisco NSO、OpenDaylight、ONOSなどの主要なSDNコントローラーや、Pythonなどで作成された自動化スクリプトから制御可能です ¹⁰。

Q3. 将来的に通信速度が高速化しても使用できますか？

A3. はい、使用可能です。

Polatisの光スイッチは、信号のプロトコルやビットレートに依存しない「全光（OOO）」方式です。光ファイバー（シングルモード）を通る信号であれば、速度に関わらずスイッチング可能です。そのため、将来的に800Gや1.6Tへ移行しても、光スイッチ自体はそのまま継続して利用できます ¹。

9. まとめ

物理層の自動化により、インフラ運用は大きく変化します。

Polatisの導入により、物理配線はソフトウェアで制御可能なリソースとなります。手動作業の負荷を軽減し、より効率的なアーキテクチャ設計やサービス開発にリソースを集中させることが可能になります。Huber+Suhner Polatisは、自動化されたラボと持続可能なデータセンターの構築を支援します。

10. メタディスクリプション

AIデータセンターの電力削減とラボ自動化を実現するHuber+Suhner Polatis全光スイッチ。DirectLight™技術による低損失・ダークファイバー対応・最大384ポート接続の特徴と、SDN連携による運用メリットを解説。

引用文献

1. The benefits of optical circuit switches (OCS) in modern … – Polatishttps://www.polatis.com/POLATIS_OCS_Spine_Layer_Replacement_White_Paper.pdf
2. Photonics powering AI data centres: The latest innovations – Microelectronics Uhttps://microelectronicsuk.com/blog1/photonics-powering-ai-data-centres-latest-innovations
3. Polatis optical circuit switching – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/optical-circuit-switching
4. POLATIS® TECHNOLOGY – DirectLight™ Beam-Steering All-Optical Switchhttps://www.polatis.com/polatis-all-optical-switch-technology-lowest-loss-highest-performance-directlight-beam-steering.asp
5. Lab automation for fixed access network – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/markets/communication/fixed-access-network/transport-network/lab-automation
6. Lab automation for carriers Introduction – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/Asset/eyJpZGVudGlmaWVyIjoxMzEzOTgsInR5cGUiOiJhc3NldCJ9/rbAmJu-q9v9x3fe5/Application_Note_Lab_Automation_0225.pdf
7. Optical Circuit Switches Show Promise for More Energy-Efficient AI Data Centershttps://www.appliedmaterials.com/us/en/newsroom/perspectives/optical-circuit-switches-show-promise-more-energy-efficient-ai.html
8. Introduction to Breakout Architecture – Objective: Reducing Power Consumptionhttps://www.gigalight.com/news-events/insights-8796.html
9. LPO vs CPO: Which Will Dominate the Data Center Optical Interconnect? – FS.comhttps://www.fs.com/blog/lpo-vs-cpo-which-will-dominate-the-data-center-optical-interconnect-1080.html
10. POLATIS® SERIES 6000n Network Optical Matrix … – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/Asset/eyJpZGVudGlmaWVyIjoxMTg3MDYsInR5cGUiOiJhc3NldCJ9/CyhDmb1v_nsfvgF7/H%2BS_N-OST-192×192-LU1-HMWNS_EN.PDF
11. Lab automation for carriers – HUBER+SUHNERhttps://www.hubersuhner.com/en/markets/communication/mobile-network/lab-automation
12. US7389016B2 – Beam steering optical switch – Google Patentshttps://patents.google.com/patent/US7389016B2/en
13. Test & Measurement Network Equipment Manufacturer Solutions – optical circuit switcheshttps://www.polatis.com/test-and-measurement-low-loss-optical-switches.asp
14. Government and Defense Systems Secure Network All Optical Switch Solutions – Polatishttps://www.polatis.com/government-and-defense-secure-network-optical-switch-solutions.asp
15. HUBER+SUHNER Polatis Extends Product Line, Introduces Integrated Solutions and Demonstrates SDN Interoperability at OFC 2017.https://www.polatis.com/press-releases/huber_suhner_polatis_extends_product_line_introduces_integrated_solutions_and_demonstrates_sdn_interoperability_ofc_2017.asp
16. Huber+Suhner Polatis 6000 Series – Red Helixhttps://www.redhelix.com/products/hubersuhner-polatis-6000-series/
17. POLATIS® SERIES 6000i Instrument Optical Matrix Switch – VIAVI Solutionshttps://www.viavisolutions.com/en-us/literature/polatis-series-6000-osm-network-switch-module-data-sheets-en.pdf
18. Optically Switched Quantum Key Distribution Network – Apollo – University of Cambridgehttps://www.repository.cam.ac.uk/items/6959fdb8-8644-4d2e-aee6-e3f1fd11145e
19. Quantum Networking/QKD – Optical Circuit Switches – Ultra Low Loss Photonic Cross Connects – Polatishttps://www.polatis.com/quantum_networking_QKD_optical_circuit_switches_ultra_low_loss_photonic_cross_connects.asp
20. POLATIS® 7000 Optical Circuit Switch – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/shop/product/other-systems/optical-switches/rack-mount-circuit-switches/85223159/polatis-7000-optical-circuit-switch
21. POLATIS® 6000 Series Optical Circuit Switch – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/shop/product/other-systems/optical-switches/rack-mount-circuit-switches/85210898/polatis-6000-series-optical-circuit-switch
22. Polatis Delivers Industry’s Highest Capacity, Highest Performance Software Defined Optical Cross Connect.https://www.polatis.com/press-releases/polatis_delivers_industrys_highest_capacity_highest_performance_software_defined_optical_cross_connect.asp
23. POLATIS® 6000 Optical Switch Module – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/shop/product/other-systems/optical-switches/optical-switch-modules/85166308/polatis-6000-optical-switch-module
24. The RESTCONF API – Network Services Orchestrator (NSO) v6.3 – Cisco DevNethttps://developer.cisco.com/docs/nso/guides/the-restconf-api/
25. RESTCONF Operations – LTRDCN-3903https://nxos-devops.ciscolive.com/lab/pod2/yang/restconf
26. POLATIS® optical switching technology enables high-performance connectivity for HPC and AI environments – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/newsroom/company-news/news-ad-hoc-news/polatis-ocs-technology-for-hpc-and-ai
27. OCS for network test lab automation – Huber+Suhnerhttps://www.hubersuhner.com/en/ocs-for-network-test-lab-automation
28. Huber+Suhner Polatis 7000 Series – Red Helixhttps://www.redhelix.com/products/hubersuhner-polatis-7000-series/
29. POLATIS Optical Switching Technology Enables High-Performance …https://www.signalintegrityjournal.com/articles/4148-polatis-optical-switching-technology-enables-high-performance-connectivity-for-hpc-and-ai-environments
30. ORNL Quantum-Conventional Network Testbedhttps://grpworkshop2023.theglobalresearchplatform.net/presentations/T5-RAO-4GRP-2023-ORNL-Quantum-Testbed.pdf
31. ORNL Quantum-Conventional Network Testbed – THE 5th GLOBAL RESEARCH PLATFORM WORKSHOPhttps://grpworkshop2024.theglobalresearchplatform.net/program/T5.8-5GRP-2024-RAO-ORNL_QNET.pdf

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