第 200 号・2022 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

情報通信

100Gbit/s 超 40km 伝送用光増幅器搭載
4ch 集積光受信器
4-ch Integrated Optical Receiver Module with Semiconductor Optical Amplifierfor Over 100-Gbit/s and 40km Transmission＊前川享平

三井寺西良太原Kyohei Maekawa

Ryota Teranishi

主成平山Kazuaki Mii

徹Toru Hirayama

弘

Hiroshi Hara

スマートフォンなどの高機能な端末の普及やインターネットサービスの多様化に伴う、データ通信量の急増に対応するため、データセンター内の光通信では伝送速度100Gbit/s 超の小型光トランシーバが導入されている。さらに、データセンター間の接続など長距離伝送のため、伝送距離の長延化も求められている。当社は、半導体光増幅器（SOA）を搭載することで、40km/80km の長距離伝送に対応し、小型光トランシーバに搭載可能な4ch 集積光受信モジュールを開発した。本稿では、その構造と諸特性について紹介する。

To address the needs for increasing data traffic resulting from the widespread use of advanced mobile terminals and thediversification of internet-based services, over 100-Gbit/s optical transceivers have been used in optical communication
systems of data centers. Furthermore, there has been a strong demand for extended reach connection between datacenters. We have developed a new compact receiver with a semiconductor optical amplifier for 40 km/80 km
transmission. This paper describes the design and typical characteristics of the new optical receiver.
キーワード：100GBASE-ER4、半導体光増幅器（SOA）、可変光減衰器（VOA）、光受信モジュール、QSFP28

1.

緒言

2.

開発目標仕様近年、スマートフォンなどの高機能な通信端末が広く普表1に目標仕様を示す。IEEE の802.3ba で策定された伝及し、様々なインターネットコンテンツの利用が手軽にで送距離40km の100GBASE-ER4規格を参考にしている。光

きるようになっている。さらに、ビッグデータの活用や5G通信では伝送容量拡大の手段の一つとして、1本の光ファの実用化に伴い、IoT（Internet of Things）への期待も高イバに複数の波長の光を同時に伝送させる波長分割多重方まっている。このような背景から、データ通信量は急激な式が利用されており、100GBASE-ER4では波長1300nm増加を見せており、更なる通信速度の向上や通信装置の小帯の LAN-WDM ※2グリッドの4波長を使用する。符号化方型化の需要は非常に強くなっている。

式は非ゼロ復帰（Non Return to Zero, NRZ）で、伝送速度は1波長あたり25.78125Gbit/s であり、4波長合計でネットワークの主要施設であるデータセンター内では、103.125Gbit/s となる。

伝送速度100Gbit/s 超の光通信が導入されており、基幹部品の一つである光トランシーバは、QSFP28や QSFP-DD※1などの小型の製品が広く利用されている。一方で、データセンター間のネットワークのように長距離の伝送においては、

表1

損失を補償するために半導体光増幅器（Semiconductor

項目

Optical Amplifier, SOA）モジュールが使用されている

伝送速度が、光受信モジュールとともに小型光トランシーバへ搭載符号化方式するのが難しいことが課題であった。
当社伝送デバイス研究所と住友電工デバイス・イノベー

波長ション㈱は小型光トランシーバに搭載可能な100Gbit/s
超用の4ch 集積光受信モジュール（1）～（4）や SOA モジュール（5）を開発してきた。それらの設計をベースとし、光受信モジュー
ルに SOA を搭載することにより、小型かつ100Gbit/s超の伝送速度と40km の長距離伝送を実現する4ch 集積光

光受信モジュール目標仕様
仕様
25.78125±100ppm
NRZ

レーン01294.53 ～ 1296.59

レーン11299.02 ～ 1301.09

レーン21303.54 ～ 1305.63

レーン31308.09 ～ 1310.19†
最小受信感度（OMA※3）≦-21.4†
オーバーロード（OMA）

≧＋4.5

単位
Gbit/s―nmdBm†符号誤り率＝1×10-12 での光パワー受信モジュールを開発した。

100Gbit/s 超 40km 伝送用光増幅器搭載 4ch 集積光受信器

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より有効受光径を拡大しており、広い調芯トレランスを実4ch 集積光受信モジュールの構成現している。光信号は PD で電流に変換され、TIA で電圧信

写真1に4ch 集積光受信モジュールの外観を示す。パッ号に変換・増幅された後、差動電気信号としてパッケージ

ケージサイズは22.6mm ×6.7mm ×5.3mm で小型光トラとフレキシブル基板（FPC）を介して光トランシーバに伝ンシーバ QSFP28に搭載可能な大きさを実現している。

達される。また、SOA チップは一定の動作温度で駆動でき

図1に4ch 集積光受信モジュールの構成を示す。光ファるように、SOA チップ近傍に搭載したサーミスタ抵抗値のイバと接続するレセプタクルと、SOA や可変光減衰器フィードバックから温度制御する構成としており、VOA、（Variable Optical Attenuator, VOA）、フォトダイオード入出力のレンズとともにペルチェモジュール上に搭載して（PD）やトランスインピーダンスアンプ（Transimpedanceいる。VOA は MEMS ※5チップで、シャッタを駆動させてAmplifier, TIA）などのチップ部品と、光分波器などの光光を遮ることにより SOA に入射する光を減衰させる。

学部品、ペルチェモジュール とパッケージから構成され※4る。図2に4ch 集積光モジュールの光学系の概要を示す。レ4.

セプタクルから入射した光信号は、大入力時には VOA で減衰され、逆に小入力時には SOA で増幅される。SOA か

4－1

光受信モジュール特性

分波・受光感度特性

ら出た光は、光分波器内で反射を繰り返し、フィルタによ

図3に4ch 集積光受信モジュールの分波特性を示す。本

り波長ごとに分離され、各レーンの PD に結合される。PDモジュールには、LAN-WDM 波長グリッドに対応した光は裏面入射構造で、裏面に形成したモノリシックレンズに分波器を搭載しており、図中の点線は波長規格を示している。各レーンの波長規格内における変動量は0.5dB 以下であり、レーン間のアイソレーションは25dB 以上の良好な特性が得られている。
図4に4ch 集積光受信モジュールの SOA 電流と受光感度の関係を示す。受光感度は、結合損失と SOA の利得と PDの受光感度を含んだ値である。
SOA に流れる電流が増加すると利得が増加するため、受Lane0

Lane1

Lane2

Lane31305.01310.0[A/W]

1E+2

写真11E+1
1E+0

4ch 集積光受信モジュール

1E-1
1290.0VOA

1295.01300.0FPCSOA

図3

各レーンの分波特性

PD TIA
1E+3[A/W]

図１ 4ch 集積光受信モジュールの構成

1E+2
Lane0:>100(=20dB)

1E+1

Lane1
Lane2
Lane3

1E+0PD4VOA

図21315.0[nm]SOA: 0.7 A/W

1E-10PD

204060SOA

4ch 集積光受信モジュールの光学系概要

図480100120[mA]

各レーンの受光感度特性

100Gbit/s 超 40km 伝送用光増幅器搭載 4ch 集積光受信器

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光感度が高くなる。低損失な光学系を実現しており、SOA
電流90mA 以上の条件では、PD 単体の受光感度が約0.7A/W であるのに対して、100倍（20dB）以上高い値が得られている。
4－2

最小受信感度特性

図5に受信モジュールのケース温度25℃、SOA を電流80mA、温 度30℃ の 条 件 で 駆 動 さ せ た 際 の、伝 送 速 度
25.78125Gbit/s、PRBS31※6 の NRZ 信号入力時の符号誤り率を示す。符号誤り率＝1×10-12での最小受信感度（OMA）は -25.9dBm 以下を示し、目標仕様 -21.4dBm に対し4.5dB 以上のマージンを有している。また、この結果

図6

減衰特性は各レーン間にパワー差がない状態での結果であるが、測定レーン以外のレーンに4.5dB 大きいパワーを入力した場

1E-03

合でも、クロストークによる受信感度劣化は0.5dB 以下で

1E-04

1E-03

1E-05
Lane0

1E-04

1E-06

Lane0

Lane0

Lane1

Lane1Lane2

Lane2

Lane3

Lane3

1E-06

Lane1

1E-05

VOAVOAあることを確認している。

1E-07

Lane2

1E-08

Lane3

1E-09

VOA+4.5dBm

1E-10
1E-11

1E-07

1E-12

1E-08

1E-13

1E-09
1E-10

4.5 dB

1E-11=1×10-12-10

12345

6789(OMA) [dBm]-21.4 dBm

1E-12

<1E-12

図7

オーバーロード側符号誤り率=1×10-12

1E-13-32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20(OMA) [dBm]図5

最小受信感度側符号誤り率

ワー +6.9dBm の条件においても、各レーンの符号誤り率が1×10-12以下であることを確認しており、オーバーロードの規格を十分満足する結果が得られている。

4－3

5.

減衰特性・オーバーロード特性

図6にデバイス温度25℃、入力パワー0dBm での VOA

5－1

目標仕様

当社では、400Gbit/s の40km 伝送への適用も進めていによる減衰特性を示す。3V 以下の低電圧で20dB を超える高い減衰量が得られている。

100Gbit/s 超への取り組み

る。具体的には、変調速度53.125Gbaud、変調方式は4値

図7にオーバーロード側の符号誤り率を示す。SOA 電流パルス振幅変調（4-level Pulse Amplitude Modulation,は30mA に下げている。それ以外の測定条件は最小受信PAM4）で、グレイコーディングされた信号を用いる。

感度測定時と同様である。VOA 非搭載の場合、符号誤り

図8に示すように PAM4では1シンボルあたり2ビットの情率＝1×10 でのオーバーロード（OMA）が全レーンで報を伝送できるため、NRZ と同じシンボルレートでありな0dBm 以上という結果が得られているが、全レーンで規格がら2倍の情報量を伝送することが可能となる。よって、伝を満足することはできない。このため、VOA を搭載して入送速度は1波長あたり106.25Gbit/s となり、4波長合計で力パワーを減衰させる必要がある。適切に VOA を使用す425Gbit/s となる。表2に100G Lambda MSA（6）で標準化ることで、目標仕様 +4.5dBm に対して2.4dB 高い入力パが進められている、1波長40km 伝送の規格である100G--12

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波形の消光比は5.6dB、TECQ は1.6dB である。図9に符ER1-40で求められる仕様を示している。
当社では、すでに伝送距離2km の400Gbit/s 伝送に対応

号誤り率の測定結果を示す。信号パターンは PRBS15Q ※6を開発しており、その設計を使用した。最小受信感度は SOA 電流80mA の条件でをベースとし、現在開発中のリニアリティを改善した SOA-15.3dBm であり、オーバーロードは SOA 電流40mA のチップを搭載して評価を行った。

条件で -1.9dBm と仕様を満足する結果が得られた。

した4ch 集積受信モジュール

（4）

16.

1
10
NRZ

PAM41

図8結

言

3 = 11

当社は、伝送速度100Gbit/s、伝送距離40km 用途の小2 = 10型光トランシーバ QSFP28に搭載可能な、SOA 搭載4ch 集

1 = 01

積受信デバイスを開発した。当社設計の SOA チップを搭載

0 = 00

することで、高い受光感度を実現し、25.78125Gbit/s、2NRZ 信号での最小受信感度（OMA）は -25.9dBm 以下と良好な特性を示した。さらに VOA を搭載することにより、NRZ 信号とPAM4信号の概略

100GBASE-ER4規格を満足することを確認した。前方誤り訂正との併用により、伝送距離80km への適用も可能と考表2えている。また、開発中の SOA チップを搭載することで、

100G-ER1-40の仕様
仕様

単位

変調速度

項目

53.125±100ppm

GBaud

変調方式

PAM4―

波長1304.5 ～ 1317.5nm

最小受信感度‡（OMA）

TECQ※7 < 1.4dB≦ -13.8

1.4dB ≦ TECQ ≦ 3.9dB≦ -15.2 + TECQ

1波長100Gbit/s の40km 伝送規格100G-ER1-40を満足する結果も得られており、4ch 使用することで400Gbit/sで40km 伝送にも対応可能な見込みを得た。

dBm≧ -2.6

オーバーロード（OMA）‡‡符号誤り率＝2.4×10-4 での光パワー

5－2

受信特性

25℃における符号誤り率の評価を行った。光源はレーザダイオードを搭載した光送信モジュールを使用した。光

1E-02

SOA40mA
80mA-13.8dBm

1E-03-2.6dBm=2.4×10-4

1E-04

1E-05
1E-06
1E-07
1E-08
1E-09-18-16-14-12-10-8-6-4-20(OMA) [dBm]

図9100Gbit/s PAM4信号入力時の符号誤り率
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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前川

享 平＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱三井主 成 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

平山

徹 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

寺西良 太 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

原弘 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱部長補佐

QSFP28 / QSFP-DD

Quad Small Form-factor Pluggable：100Gbit/s 超用小型光トランシーバの業界標準の一つ。QSFP-DD（DoubleDensity）は、伝送速度100Gbit/s、4波長の信号光を用いて400Gbit/s を実現する。
※2

LAN-WDM

波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）技術の一つで、波長間隔が約5nm の4波長の伝送信号を一本のファイバで伝送させる。
※3

OMA

Optical Modulation Amplitude：光変調振幅。
※4

ペルチェモジュール

熱電素子の一つ。ペルチェ効果を利用した加熱／冷却素子。
※5

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems：微小電子機械シス
テム。半導体などの基板上に微小なセンサや回路、可動機構などを集積したデバイス。
※6

PRBS31 / PRBS15Q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ーー＊主執筆者

PRBS は Pseudo-Random Bit Sequence（疑似ランダムビット列）の略。
PRBS31は、パターン周期が231-1の NRZ 信号系列。
PRBS15Q は、パ タ ー ン 周 期 が215-1の PAM4シ ン ボ ル系列。
※7

TECQ

Transmitter Eye Closure Quaternary：波形品質指標の一つ。

参 考 文 献（1）	沖和重、「40ギガビット光分波器集積小型光受信モジュールの開発」、
SEIテクニカルレビュー第182号（2013年1月）（2）	川村正信、「40G/100Gbit/s 用光分波器集積光受信モジュール」、SEI
テクニカルレビュー第186号（2015年1月）（3）	中島史博、「高速（100G/200G/400G 用）高感度 APDチップ搭載4ch集積受信デバイス」、SEIテクニカルレビュー第192号（2018年1月）（4）	三井主成、「400Gbit/s 伝送用小型4ch 集積光受信モジュール」、SEI
テクニカルレビュー第195号（2019年7月）（5）	寺西良太、「100Gbit/s CFP 光トランシーバ搭載用小型半導体光増幅器（SOA モジュール）」、SEIテクニカルレビュー第184号（2014年1月）（6）“100G Lambda Multi-Source Agreement”		 http://100glambda.com/

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