第 202 号・2023 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

導波路 APD 搭載25Gbps 光受信器

25Gbps Optical Receiver with Waveguide Avalanche Photodiode

朝羽貴士

神杉秀昭

金丸

Takashi Asaba

聖武井Satoru Kanemaru

竜太郎

Ryutaro Takei

Hideaki Kamisugi

高機能モバイル端末の普及や、提供されるサービスの多様化に伴う通信トラフィックの増加に対応するため、5G への移行が進みつつある。5G のモバイルフロントホールには25Gbps の光トランシーバが用いられており、伝送容量拡大のため、波長分割多重方式が広く用いられている。当社は、これまでに開発した CAN 型光受信デバイスと、C-Band 用端面入射型導波路アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode : APD）を組み合わせて、25Gbps DWDM トランシーバ（SFP28）に搭載可能な光受信デバ
イスの開発を行ったので、その結果を報告する。

Mobile networks are shifting to the fifth-generation mobile communication system (5G) to address the needs for increasing data
traffic associated with the spread of high-performance mobile terminals and the diversification of services provided. 25 Gbps
optical transceivers are used in 5G mobile fronthaul, and wavelength division multiplexing is widely used to expand transmission
capacity. We have developed a new optical receiver module that can be integrated into a 25 Gbps dense wavelength divisionmultiplexing (DWDM) transceiver by combining our CAN-type optical receiver module and edge-illuminated waveguideavalanche photodiode (APD) chip for C-Band. This paper presents the design and performance of the new optical receiver.
キーワード：25Gbps、高感度、広帯域、導波路 APD

1.

緒言

スマートフォン、タブレット等の高機能モバイル端末の普及により、高品質のインターネットコンテンツが利用できるようになっている。また、様々な分野への IoT ※1の拡大、提供されるサービスの多様化、高度化も進んでおり、通信トラフィックは急激に増加している。近年、4G から5G への移行も進みつつあり、更なる通信速度の向上、大容量化の需要が高まっている。
伝送ネットワークのアンテナと基地局の間（モバイルフロントホール）は光ファイバで接続され、5G への移行に伴い、25Gbps の光通信が導入されており、キーコンポーネ写真１ SFP28外形ントの一つである光トランシーバは、SFP28 等の小型の※2製品が広く用いられている。また、伝送容量拡大のため、1本の光ファイバに複数の波長の光信号を同時に伝送する波長分割多重方式（Wavelength Division Multiplexing :以下を目標とした。
表1に光受信デバイスの目標仕様を示す。IEEE ※5標準やWDM）が多く利用されている。
当社では、これまでに SFP28に搭載可能な CAN 型光受信デバイス 、C-Band（1）

用端面入射型導波路 APD※3

MSA ※6をベースに、市場要求を加味した上で、当社が独自の開（2）（、3）発を行ってきた。これらの技術を組み合わせて、25Gbps

表1

DWDM ※4 SFP28用光受信デバイスの開発を行ったので、項目その結果を報告する。

2.

開発目標仕様

写真1に SFP28の外形を示す。幅は13.8mm であり、ここに光送信・受信デバイスが並べて搭載されるため、今回仕様

単位

動作温度-40～85℃

伝送速度25.78125

Gbps

変調方式

NRZ-

伝送距離2m～10km-

波長1528～1567nm<-19dBm

最小受信感度†開発した光受信デバイスは、その半分以下の幅となる6mm目標仕様†符号誤り率＝5×10-5 での平均光入力パワー
導波路APD搭載25Gbps光受信器

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第 202 号・2023 年 1 月に設定したものを目標仕様とした。
また、モバイルフロントホール部分は通常屋外に設置されるため、I-Temp（Industrial Temperature）と呼ばれまた、端面入射型は吸収層長を十分に確保することができ、層内に電界が集中しにくい構造になっているため、高い過入力耐圧を有している。

る -40～85℃の温度範囲で動作することが必要となる。

3.

APD 構造光通信で使用される受光素子は、その形状から図1に示すように面入射型（surface-illuminated）と端面入射型（edge-illuminated）の2種類に大別される。
面入射型は、大口径の受光部を形成することで高い受光感度を容易に得られる反面、PD の接合容量が増加するため、帯域特性とのトレードオフが生じる。端面入射型は、光の入射方向と光電流が流れる方向が異なるため、吸収層の長さと厚さを電気的、光学的な観点から独立して設計することができる、つまり、受光感度と帯域を独立して設計できるという大きな長所がある。
その反面、端面入射型はその構造上、必然的に受光部の面積が小さくなるため、光の結合を取りづらいという欠点

図２ APD チップ外観がある。当社では、端面入射型 APD の光入射部にスポットサイズコンバータ（Spot Size Converter : SSC）※7機能を持つ光導波路を集積し、入射面のモードフィールド径（Mode Filed Diameter : MFD）を拡大、光結合トレランスを改善し、広帯域、高感度化の両立を実現している。

(a) 面入射型(b) 端面入射型

図３ APD 断面構造模式図

図１ 受光素子の形状

4.

写真2にデバイスの外観を示す。パッケージサイズはΦ

図2に当社が開発した APD チップの外観、図3に断面構造の模式図を示す。
本 APDは、入射した光信号をAPD 吸収層に伝搬する光導デバイス構造

5.6mm、全長14.8mm で、小型光トランシーバ SFP28に搭載可能なサイズを実現している。

波路と、光－電気変換を行う APD チップで構成され、InP

図4に デ バ イ ス の 構 造 を 示 す。パ ッ ケ ー ジ 内 に は、系モノリシック集積要素技術（4）を用いて同一チップ上に集APD、トランスインピーダンスアンプ（Transimpedance積している。これらをバットジョイント（Butt-joint）成Amplifier : TIA）等のチップ部品、レンズが搭載され、シ長技術を用いて、導波路と APD の吸収層を直接結合させるングルモードファイバ（SMF）スタブを内蔵した LC レセことにより、高い受光感度を実現している。

プタクル、トランシーバとの電気的な接続を行うフレキシ

pn 接合領域の小型化による容量低減、吸収層の薄膜化によるキャリア走行時間短縮により広帯域化を実現し、且ブル基板（Flexible printed circuits : FPC）から構成される。
レセプタクルから入射した光信号は、キャップに一体成

つ APD の増倍に必要な電圧を低く設定することができるため、低消費電力化に有利である。

型された1st レンズで平行光に変換され、APD チップ直近に導波路APD搭載25Gbps光受信器

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第 202 号・2023 年 1 月配置された2nd レンズを介して APD チップに集光される。
APD で光－電気変換された信号は TIA で増幅され、パッケージ、FPC の高周波線路を経由して光トランシーバに伝達される。

図５ 1st レンズトレランス計算結果

レによる結合効率の低下を抑制し、更に環境温度の変化に対する変動にも効果が得られる。

5.

写真２ デバイス外観

5－1

デバイス特性

暗電流、光電流

図6にデバイス温度25℃、光入力パワー10µW、光源波長1.55µm における暗電流、光電流特性を示す。ブレイクダウン電圧は約22V で、ブレイクダウン電圧の90％に相当する印加電圧（約19V）では、2nA 以下の低暗電流を実現している。また、増倍率1に相当する印加電圧（約9V）で、0.8A/W の受光感度が得られている。

図４ デバイス構造

本デバイスでは、レンズの固定ズレによる結合効率の低下を抑制するため、1st レンズ、2nd レンズから成る2レンズ結合系を採用している。図5に1st レンズのトレランスの計

図６ 暗電流、光電流特性算結果を示す。ピーク結合で約98％と非常に高い結合効率が得られており、40µm オフセットしても約90％の高い結合効率が得られている。この効果により、レンズの固定ズ導波路APD搭載25Gbps光受信器

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5－2

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周波数特性開発した電界吸収型変調器集積レーザダイオードを搭載し

図7にデバイス温度25℃、光入力パワー10µW、増倍率た25Gbps 光送信デバイス（5）を使用した。符号誤り率＝55における光電気変換利得の周波数特性を示す。3dB 帯域×10-5となる最小受信感度は、0km、10km 伝送後ともに幅（Bandwidth : BW）は約14GHz であり、25Gbps の-24dBm 以下であり、目標仕様 -19dBm に対し5dB 以上のNRZ 変調信号を十分に受信することが可能である。

マージンを有しており、10km 伝送後の受信感度劣化（伝送ペナルティ）は0.7dB と良好な結果が得られている。
5－4

受信感度温度特性

図9にデバイス温度 -40～85℃における最小受信感度の温度特性を示す。0km、10km 伝送後ともに -23dBm 以下であり、温度変動を加味しても、目標仕様 -19dBm に対して4dB 以上のマージンが確保できている。

: < -19dBm
0km
10km>4dB

図７ 光電気変換利得周波数特性

5－3

光受信特性

図8にデバイス温度25℃、伝送速度25.78125Gbps、PRBS31※8の NRZ 信号入力での0km、10km 伝送後の符号

図９ 最小受信感度温度特性誤り率（Bit Error Rate : BER）を示す。光源は、当社で6.

結言SFP28に搭載可能な25Gbps DWDM 用光受信デバイス>5dBを開発した。当社で開発した端面入射型導波路 APD チッ-19dBm

プを搭載することで、広帯域、高感度化の両立を実現した。伝送速度25.78125Gbps の NRZ 信号での10km 伝送=5×100km
10km-5後の最小受信感度は -24dBm 以下であり、デバイス温度が-40～85℃の環境下でも -23dBm 以下と良好な結果が得られた。

図８ 符号誤り率

導波路APD搭載25Gbps光受信器

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第 202 号・2023 年 1 月

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

朝羽

貴 士＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱金丸

聖 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

IoT

Internet of Things : 様々な「モノ（物）」がインターネットに接続され、情報交換することにより相互に制御する仕組み。
※2

SFP28

Small Form-factor Pluggable : 25GbE に準拠した小型光トランシーバの業界標準の一つ。伝送速度は25Gbps。
※3C-band

武 井 竜 太 郎 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱課長Conventional-band：光通信で使用される波長帯域の一つ。波長は1530～1565nm。
※4

DWDM

神杉

Dense Wavelength Division Multiplexing：波長分割多秀 昭 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱部長

重方式の一つ。1.5µm 帯の波長（C-Band）が用いられ、波長間隔は約0.4nm。
※5IEEEーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

Institute of Electrical and Electronics Engineers : アメ
リカ電気電子学会の略称で、電気、電子技術分野における規格の標準化を行っている。
※6

MSA

Multi-source Agreement : ベンダ間の相互互換性を目的とする部品仕様の共通規格。
※7

スポットサイズコンバータ

入出力光のビーム形状を変換する機能を持つ導波路構造。
※8

PRBS31

Pseudo-Random Bit Sequence : 疑似ランダムビット列。PRBS31は231-1の周期を持つランダム信号系列。

参 考 文 献（1）	田中成斗、「50G-EPON 曲側装置用受信器」、SEIテクニカルレビュー
第197号（2020年7月）（2）	Y. Yoneda et al.,“InP-Based waveguide photodetectors for
IMDD/coherent transmission applications,”IEICE Technical
Report, No.LQE2020-5（2020）（3）	海老原幸司、「次世代データセンター向け100GBaud 導波路型受光素子」、住友電工テクニカルレビュー第200号（2022年1月）（4）	井上尚子、「100Gbit/s 小型コヒーレントレシーバ向け InP 系90°ハイブリッド集積型受光素子」、SEI テクニカルレビュー第185号（2014年7月）（5）	藤田尚士、「光トランシーバ向け25Gbit/s 光送信モジュール」、SEIテクニカルレビュー第186号（2015年1月）

導波路APD搭載25Gbps光受信器

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