0. 対象と前提

対象：光伝送を学習者する人で、リンクバジェット・OSNR・OTN の基礎を理解している読者
ゴール：ROADM を「世代」「WSS」「B&S/R&S」「CDC」の視点で説明できるようになる

1. ROADM の役割と機能

ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）は、波長単位で「通過」「上げ下ろし」を遠隔から再構成できる光ノードです。

経路	役割	O/E変換	損失の考え方
express（スルー）	通過波長を電気に落とさず別方路へ中継	なし（全光）	ノード内光損失のみ。多段通過で累積
add/drop（局内）	局内トランスポンダで終端／挿入	終端機器側で発生	add/drop 構造の損失（express とは別系統）

degree（方路）：1本の回線方向。2-degree が最小、3以上が MD-ROADM（Multi-Degree）。
ROADM の内ではトランスペアレント（光で透過）で、O/E 変換はしない。変換は接続するトランスポンダ等で起こる。

O/E と O/E/O

終端機器	信号変換	呼称
コヒーレント受信機 → ルータ内蔵プラガブル等	O→E のみ	O/E
トランスポンダ（クライアントが光IF）	O→E→O	O/E/O
トランスポンダ同士の再生中継	O→E→O（同一信号の3R再生）	O/E/O

2. 世代進化 — 「何を自由化したか」

世代は「解いた制約」で見ていくと進化の方向性が見えます。

世代	解いた制約	残った制約	要素技術
FOADM	（固定上げ下ろし）	波長変更＝物理工事	薄膜フィルタ(TFF)
第1世代(WB)	遠隔での通過/遮断	add/drop が色・方路に固定	波長ブロッカ＋スプリッタ
第2世代(WSS)	方路選択（多方路化）	add/drop が色・方路に固定	1×N WSS
第3世代(CDC)	add/drop の色・方路・競合	グリッド固定（50GHz等）	M×N WSS／マルチキャストスイッチ
第4世代(CDC-F)	グリッド（可変帯域）	制御複雑性・コスト	LCoS-WSS＋flexgrid

方向性は一貫しており、「現地工事の削減」と「波長資源の利用効率」です。

3. WSS とは（LCoS と MEMS）

WSS（Wavelength Selective Switch）は、ROADM の中核となる部品です。入力 WDM を波長ごとに分離し、各波長を任意の出力ポートへ独立に振り分けます（同時に減衰量も制御してパワー等化）。

入力光を回折格子で波長を空間分離し各波長を任意ポートへ偏向する動作は同じで、偏向素子だけが違います。

観点	LCoS-WSS	MEMS-WSS
偏向素子	画素化した液晶位相板（1枚で全波長、ホログラムで制御）	波長ごとの微小傾斜ミラー
フレキシブルグリッド	得意（画素単位で任意帯域幅）	不利（固定パスバンド寄り、flexgrid非対応とされる）
挿入損失	やや大（回折・偏光依存）	小（直接反射）
パワー等化	画素制御で容易	可能だが粒度依存
主流	flexgrid WSS の主流	旧世代・固定グリッド用途

LCoS は画素の位相パターンで偏向するため、任意のパスバンド幅を設定できる（＝flexgrid 対応）。
線路側の WSS はすべて 1×N 型（共通ポート1＝回線側、分岐 N＝他方路＋Add/Drop）。実機では 1×9・1×20 等がある。
挿入損失はポート数とともに増える傾向（例：1×25 LCoS で 5.4〜9.6 dB／C帯）。

4. フレキシブルグリッド（G.694.1）

LCoS が任意帯域を作れるためフレキシブルグリッドを実現できます。

項目	値
基準周波数	193.1 THz
flexgrid 中心周波数粒度	6.25 GHz
flexgrid スロット幅粒度	12.5 GHz
中心周波数の式	f [THz] = 193.1 + n × 0.00625（n は整数）

単位に注意：193.1 は THz、粒度 6.25 GHz は 0.00625 THz。式は THz で統一して 193.1 + n×0.00625。
400G/800G 等で必要な広帯域スロットを無駄なく割り当てられるのが flexgrid の価値。

5. ノードアーキテクチャ：B&S と R&S

5.1 構造の違い

Broadcast-and-Select (B&S)：入力を受動スプリッタで全方路に分配 → 出力 WSS で選択。
Route-and-Select (R&S)：入力 WSS で経路選択 → 出力 WSS で再選択（WSS 2段）。

5.2 4方路の具体構成

degree は信号が来た方向へは折り返しません（ループバックになり意味がないため）。よって入力は他方路へ express するか局内へ drop、出力は他方路からの express か局内 add。結果として入出力は他方路どうしのフルメッシュになります。

5.3 ポート構成

部品	場所	ポート構成（express＋Add・Drop）	種別
入力スプリッタ（B&S）	各方路入力側	1×4	受動 1×N （分波）
入力WSS（R&S）	各方路入力側	1×4	能動 1×N （分波）
出力WSS（両方）	各方路出力側	4×1	能動 N×1（合波）

Add/Drop 側は別部品（M×N WSS）。これは CDC で扱う。

5.4 損失の方路数依存（簡易モデル）と分岐点

B&S は分配損失が 10·log で増加、R&S は段数固定でほぼ一定 → 計算上はある方路数で合計損失が逆転します。以下は損失だけを見た説明用の仮定モデルです。

仮定モデル

WSS 挿入損失 = 6.0 dB/段
スプリッタ過剰損失（材料吸収・散乱・結合不完全・製造ばらつき） = 1.0 dB（分岐比によらず一定とする）
express の分岐は 1×(N−1)、理想分配損失 = 10·log₁₀(N−1) dB

これより、

B&S express損失 = 10·log₁₀(N−1) + 1.0 + 6.0
R&S express損失 = 6.0 × 2 = 12.0 dB（分岐数に依存しない）

方路数 N	B&S express [dB]	R&S express [dB]	差 (B&S−R&S)
2	7.0	12.0	−5.0（B&S有利）
3	10.0	12.0	−2.0（B&S有利）
4	11.8	12.0	−0.2（ほぼ拮抗）
5	13.0	12.0	+1.0（R&S有利）
8	15.5	12.0	+3.5（R&S有利）
16	18.8	12.0	+6.8（R&S有利）

簡易モデルの交差点：10·log₁₀(N−1) = 6 − 1 = 5 → N ≈ 4.2。

実際の交差点について：実際には B&S は概ね 9×9（9方路）未満、R&S はそれ以上で採用される。実際の WSS 挿入損失は 5〜10 dB 程度でポート数とともに増えるため純損失の交差点も上振れし、さらに移行判断はコストやクロストークの影響も考慮される。

5.5 クロストークと帯域狭窄

B&S と R&S は使い分けが重要です。

観点	B&S	R&S
挿入損失（多方路）	不利（分配損失が増大）	有利（ほぼ一定）
クロストーク／隔離度	不利（遮断は出力WSS単段頼み）	有利（WSS2段で抑圧）
帯域狭窄（passband narrowing）	有利（WSS1段＝狭窄が少ない）	不利（WSS2段＝狭窄が約2倍）

損失・クロストークは R&S 有利、帯域狭窄は B&S 有利。
多方路・高密度では総合的に R&S が選ばれることが多いが、帯域狭窄の観点は B&S の利点として残る。
express 損失だけで方式を決めず、クロストーク要件・帯域狭窄・コストを併せて判断する。

6. CDC（概念と M×N WSS 実装）

6.1 3属性とコスト

Colorless / Directionless / Contentionless は独立した3つの属性で、機能としては次の順で追加されます。

色・方路固定 → Colorless → +Directionless → +Contentionless
（着色/着方路）  (C)          (CD)             (CDC)

属性	解消する制約	できるようになること	実装の重さ
Colorless	add/drop ポートが特定波長に固定	任意ポートに任意波長を割当	軽〜中
Directionless	add/drop ポートが特定方路に固定	上げ下ろし波長を任意の方路へ	中
Contentionless	同一ノードで同一波長を複数同時に上げ下ろし不可	同じ色を複数方路で同時に扱える	重（最も高コスト）

判断ポイント：Contentionless はコストが高いため、波長に余裕があり競合が生じないなら CD 構成で対応する。要否は「同一波長の同時上げ下ろし頻度 × トラフィックの動的さ」で決める。

6.2 実装：M×N WSS / マルチキャストスイッチ

M×N WSS は「方路側 M ポート × トランスポンダ側 N ポート」の波長選択スイッチで、任意方路の任意波長を任意トランスポンダへ競合なく接続します（§5.3 の線路側 1×N とは別部品）。各属性は次のように実現されます。

Colorless：トランスポンダの可変波長受信機が任意波長を選択
Directionless：M×N WSS が任意の方路へ接続
Contentionless：同一波長を別方路から複数トランスポンダへ同時ドロップ可（波長選択で競合回避）

実装は2系統：

観点	マルチキャストスイッチ（MCS）	M×N WSS
原理	スプリッタで分配＋光スイッチ（波長非依存）	波長選択スイッチ
損失	大（ブロードキャスト）→ 増幅器が必要	小
Contentionless	構造で実現（損失大）	素子で内在的に実現
コスト	従来は安価	高め

7. ROADM 1方路の装置構成（EDFA / OCM / OSC）

信号流れ順の構成。次記事で予定している「設計パラメータ編」のリンクバジェットの前提になります。

ポイント：

プリアンプEDFA は受信した WDM 光を持ち上げる。OSNR はプリアンプの NF とパワーで決まる。ブースタEDFA は出力光パワーを確保。
タップ＋OCM（Optical Channel Monitor）で各チャネルのパワーを監視し、WSS のチャンネル毎の減衰でパワー等化。
OSC（光監視チャネル、ITU-T G.692 が定義）は帯域外（よく使われる例：1510nm。他に1620/1310nm 等、ベンダー依存）で各ノードで終端・再生。EDFA 利得帯（C帯 ~1530–1565nm）外なので、RX は増幅前に分離、TX は増幅後に合波してアンプを迂回。

8. メトロ vs 長距離

同じ ROADM でも、メトロか長距離かで最適解が変わります。

観点	メトロ	長距離
典型 degree 数	少〜中（2〜4）	多（4〜8+）
express : add/drop 比	add/drop 比が高い	express（通過）比が高い
主な制約	コスト・設置性	OSNR・クロストーク・帯域狭窄
採用傾向	B&S も許容、固定50GHz が多い	R&S＋CDC-F、flexgrid／400G・800G

9. まとめ

ROADM は「express / add/drop」「degree」「世代」「WSS（LCoS/MEMS）」「B&S/R&S」「CDC」で整理できる。
B&S と R&S は両面トレードオフ：損失・クロストークは R&S 有利、帯域狭窄は B&S 有利。
flexgrid は中心周波数 f[THz]=193.1+n×0.00625、スロット幅12.5GHz刻み。LCoS-WSS で実現され400G/800G を効率的に収容可能。
数値の扱い：グリッド等の規格値は ITU-T、dB 値（挿入損失・隔離度）はベンダー依存で実際の値を要確認。

参考文献・規格

ITU-T 規格

G.694.1（DWDM 周波数グリッド、固定／flexible）: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.1
G.672（MD-ROADM の特性）: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.672-202505-I
G.692（OSC の定義）／G.671（光部品の伝送特性）／G.680（光ネットワーク要素の物理伝達関数）

WSS（LCoS / MEMS）・挿入損失

Laser Focus World（LCoS vs MEMS）: https://www.laserfocusworld.com/fiber-optics/article/16550240/fiber-based-components-liquid-crystal-wavelength-selective-switches-challenge-mems-designs

OSC

Google Patents US9544050B2（ITU-T G.692 定義、OSC は EDFA 帯域外・各ノード終端）: https://patents.google.com/patent/US9544050B2/en

WSS / CDC の仕組み

ROADM関連（光スイッチ技術）：https://journal.ntt.co.jp/backnumber2/1311/files/jn201311016.pdf
CDCを用いた光伝送ネットワーク：https://www.docomo.ne.jp/binary/pdf/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol27_4/vol27_4_009jp.pdf