特集デジタルコヒーレント光通信用波長可変レーザ制御 I C
五十川知子・田＊中啓二・坂金俊光・上坂勝己子

野英一Tunable Laser Controller IC for Coherent Optical Communication Systems ─ by Tomoko Ikagawa, Keiji Tanaka,
Eiichi Banno, Toshimitsu Kaneko and Katsumi Uesaka ─ The authors have successfully developed a tunable laser
controller IC for digital coherent optical communication systems. The developed IC is composed of both analog anddigital circuits fabricated by CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) process, which contributes to thereduction of chip size and power dissipation. The IC, used in combination with in-house tunable laser module,achieves even lower power dissipation by introducing switching regulators and can be implemented to small tunableassemblies such as micro-ITLA (Integrable Tunable Laser Assembly). This paper outlines the development of thetunable laser controller IC and its performance when used with the in-house tunable laser module.
Keywords: tunable laser, coherent, integrated circuit

1.

緒

言

表1

近年の通信トラフィックの増大に伴い、光伝送装置の小項型化・低消費電力化が求められている。大容量の通信が可能であり、現在導入が進んでいるデジタルコヒーレント光通信システムでは、従来の 300pin トランスポンダから小目目OIF（the Optical Internetworking Forum）では業界共通

標

micro-ITLA（OIF 仕様）

供給電源電圧+3.3V+3.3V, -5.2V, +1.8V *1

消費電力

3.5W Max.

5.0W Max.

周波数誤差+/- 1.5GHz Max.

+/- 2.5GHz Max.

波長切替時間50 msec Max.

10 sec Max.

※1型なプラガブルトランシーバへの移行が検討されており、波長可変光源の主要開発仕様*1 ：オプション仕様

仕様に対する議論が進められている。
それに伴い、このシステムに搭載される波長可変光源の小型化・低消費電力化も要求される。現在 300pin トラン（1）
スポンダにはITLA（Integrable Tunable Laser Assembly）が搭載されているが、プラガブルトランシーバでは、ITLAよりも小型な micro-ITLA、もしくはさらに小型な波長（２）可変光源の搭載が検討されている。

3.

波長可変レーザ制御 IC の構成図 1 に今回開発した波長可変レーザ制御 IC を用いた波長可変光源のブロック構成を示す。波長可変光源は、主に波長可変レーザを収納した波長可変レーザモジュール、外部今回、micro-ITLA 等の小型波長可変光源に搭載可能なとの通信を行なう CPU、波長可変レーザ制御 IC、バック波長可変レーザ制御 IC を開発した。当社製波長可変レーザコンバータ※2 からなり、CPU とバックコンバータ以外の主に対して最適設計した回路を 1 チップの IC に集積すること要回路は全て波長可変レーザ制御 IC に集積されている。

で回路の小型化・低消費電力化を図った。本稿では、波長波長可変レーザ制御 IC は、CMOS プロセスを用いて設可変レーザ制御 IC の構成と、当社製波長可変レーザと組み計したアナデジ混載 IC であり、主な機能は、①電源制御、合わせた場合の基本特性について報告する。

②光出力制御、③波長制御、④ CPU とのシリアル通信である。主に、波長可変レーザに電流を供給するためのドライ

2.

主要開発仕様表 1 に波長可変光源の主要開発仕様を示す。供給電源電

バ、波長可変レーザ等のモニタ電圧をデジタル値に変換する ADC（Analog to Digital Converter）、3 つのデジタル制御部（電源制御部、光出力制御部、波長制御部）、PWM

圧については、単一電源に対する要望を想定して 3.3V の（Pulse width modulation）、システムコントローラを備え単一電源とし、消費電力は 3.5W 以下とした。また、周波ている。電源制御部と PWM は、バックコンバータと組み合数誤差※1 については、+/-1.5GHz 以下、波長切替時間につわせて電力効率の高いスイッチングレギュレータとして機能

いては、時間短縮の要求を想定して 50 ミリ秒以下に設定し、レーザ温度を調整するための TEC（Thermoelectricした。

cooler）の印加電圧とドライバの電源電圧を生成する。シ−（ 44 ）− デジタルコヒーレント光通信用波長可変レーザ制御 IC

3.3V
波長可変レーザ制御IC
デジタル回路CPUROM

システムコントローラ

3.3V

電源制御部

アナログ回路バックコンバータ

PWM

光出力制御部

ドライバ 1

波長制御部

ドライバ 2波長可変レーザ（a）波長調整部（b）光増幅部（a） （b）
RAM

ADC

光パワーモニタ

温度モニタ

波長モニタ

図1

波長可変レーザ
モジュール

TEC

波長可変光源のブロック構成

ステムコントローラは、内部に半自立的制御を行なうためのステートマシン※ 3、RAM（Random Access Memory）、定に保つ構成にしている。図 2（b）に示すように、本構成
では、スイッチングレギュレータを用いて高効率に電圧をCPU との通信を行なうための SPI インターフェースを備え降圧することで消費電力を太線で囲まれた領域まで低減でており、CPU は 100 程度の設定波長に対応したレーザ動作きる。ドライバについては、ドライバ自体に印加すべき電条件をルックアップテーブルとして内部の ROM（Read

圧を極力下げる構成に設計することで、ドライバの消費電Only Memory）に持たせ、要求された設定波長に関する動作条件のみを波長可変レーザ制御 IC の RAM に転送するだけで波長可変レーザを自動制御できる構成とした。

スイッチングレギュレータ
未搭載時の消費電力（太線）

以下、本開発における①消費電力低減、②波長可変レーザの制御、③波長切替時間の短縮に関する構成について紹介する。
3−1

外部供給電源電圧+3.3V

スイッチングレギュレータによる消費電力低減

ら供給される 3.3V の電源電圧を直接ドライバと TEC に使圧TEC の消費電力が占める。図 2（a）に示すように、外部か（E）
電波長可変光源の消費電力の大部分は、波長可変レーザと用した場合、消費電力は消費電流と 3.3V の積、つまり太線で囲まれた長方形の領域となる。なお、その他と明記されている部分（A）は、波長可変レーザ制御 IC のドライバを

その他
（A）

0（a） スイッチングレギュレータ未搭載時

また、波長可変レーザについては、光増幅部と波長調整部ている。TEC と波長可変レーザで消費される電力は（B）、（C）および（D）の領域のみであり、斜線で示された（E）の領域はドライバ等の回路で浪費される電力となる。
この不要な消費電力を低減するため、今回開発した波長できるスイッチングレギュレータを構成している。図 1 に生成した電源電圧を供給+3.3V

ドライバの消費電力

圧

外部のバックコンバータと合わせて任意の電源電圧を生成（H）バックコンバータの消費電力
スイッチングレギュレータ
搭載時の消費電力（太線）スイッチングレギュレータで示すように、スイッチングレギュレータでは、PWM にて各部に最適な電圧に相当するパルス幅の信号を出力し、バックコンバータで DC 電圧に変換することで、各部に電圧を供給する。回路の電圧降下等による電圧変動を補正するため、ADC にてバックコンバータの出力電圧を常に読み出し、電源制御部を用いて負帰還制御することで電圧を一（F）

電可変レーザ制御 IC では、電源制御部と PWM を内蔵し、IC波長可変波長可変レーザレーザ（光増幅部） （波長調整部）（C）（D）
消費電流除いた箇所の消費電力と CPU の消費電力の合計値である。
で印加すべき電圧が異なるため（C）と（D）にわけて表示しTEC
（B）

（G）
その他
（A）

TEC
（B）

0

波長可変
波長可変レーザ
レーザ（光増幅部） （波長調整部）（C）（D）
消費電流（b） スイッチングレギュレータ搭載時（本構成）

図2

波長可変光源の消費電力

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 45 ）−力（F）および（G）を抑える構成をとった。この構成では、波数が低いとバックコンバータで遮断しきれない低周波のバックコンバータの消費電力（H）が加算されるが、このノイズが大きくなる。

値はスイッチングレギュレータで低減できる消費電力に比べて小さい。

アナログ制御による PWM では、デューティ比に対する分解能が無限であり、スイッチング周波数を十分高く設定

一般的に、スイッチングレギュレータは電力効率が高いできることから良好な特性が得られる。しかし、本開発で半面、出力ノイズが大きくなる傾向がある。コヒーレント

は PWM を 4 回路搭載する必要があり、アナログ PWM で光通信システムでは、光の位相を変化させることで信号をは回路サイズが増大してしまうため搭載できない。一方、伝送するため、波長可変光源から出力される光のスペクト

図 3（b）に示すような一般的なデジタル制御による PWM

ル線幅が太くなると信号に対する位相ゆらぎが増大するこでは、スイッチング周波数とデューティ比に対する分解能ととなり、伝送特性に大きな影響を与える。そのため、本の両立が難しい。例えば、1MHz のスイッチング周波数で開発ではドライバの出力ノイズを非常に小さく抑えること16 ビットの分解能を得るには 65.5GHz の発振器が必要とが求められ、そのためにはバックコンバータの出力ノイズ、なり、消費電力の増加を伴う。そこで、今回開発した波長およびバックコンバータ出力からドライバ出力へ伝搬する可変レーザ制御 IC では、デジタル制御による PWM の構成ノイズを抑える構成が必要となる。

に対して、ΣΔ変調回路で変調した信号を判定電圧とする

図 3（a）に、一般的なアナログ制御による PWM の波形を示す。この構成では、三角波の基準電圧と判定電圧を比構成を取り入れた。図 3（c）に示すように、本構成では、ΣΔ変調回路を用いてパルス幅を時間変化させることで較し、比較結果に応じたパルス幅の信号を生成する。パルデューティ比に対する分解能を高めることができるため、ス信号は、後段のバックコンバータにおいてパルス信号を1MHz のスイッチング周波数に対して 3 ～ 4 ビットのカウそのデューティ比（1 周期の間に“1”を出力する時間の割ンタが適用でき、発振器の周波数を消費電力の増加を伴わ合）に比例した DC 電圧に変換する。したがって、出力電ない 8 ～ 16MHz 程度に設定できる。図 4（a）に、本構成に圧に対する分解能、つまりデューティ比に対する分解能がおけるバックコンバータ出力のノイズスペクトルの計算結低いと電源制御部の負帰還制御における出力電圧変動が大果を示す。本構成では、1MHz のスイッチング周波数におきくなり、また三角波の周波数に相当するスイッチング周いて 16 ビットの電圧設定分解能があり、68.3dB の SNR（Signal to Noise Ratio）が得られている。
しかし、上記のスイッチングレギュレータ出力に対するノイズ低減だけではノイズは抑えきれず、バックコンバー

（例）
判定電圧
最大入力電圧の64.2％

判定電圧
基準電圧
（三角波）

1デューティ比64.2％
T デューティ比＝t/T

判定電圧
最大入力電圧の64.2％

判定電圧
基準電圧
（カウンタ）
100

判定電圧
最大入力電圧の64.2％

判定電圧
基準電圧
（カウンタ）
1デューティ比64.2％0（c） 本構成のPWM

図3PWM 出力波形−（ 46 ）− デジタルコヒーレント光通信用波長可変レーザ制御 IC

SNR=68.3 dB-20-40-60-80
10 3

104

10 510 6

10 7Frequency (Hz)デューティ比57.1％（b） 一般的なデジタル制御によるPWM

出力信号

Output Noise (dB)t0（a） 一般的なアナログ制御によるPWM

出力信号必要となる。図 1 に示すように、バックコンバータ出力の（a） バックコンバータ出力

Output Noise (dB)

出力信号

タ出力からドライバ出力へ伝搬するノイズを抑える構成が0SNR=98.9 dB-20-40-60-80
10 310410 5Frequency (Hz)（b） ドライバ出力

図4

ノイズスペクトル

10 610 7うち 2 つはドライバの電源電圧として使われる。本 IC では、

波長可変レーザ制御IC

電源電圧変動除去比（PSRR ： Power Supply Rejection

CPUからの指示Ratio）の良いドライバを設計することで、スイッチング初期値転送レギュレータの出力ノイズがドライバ出力に伝搬するノイ電源 ON初期値設定ズを抑えた。図 4（b）に、ドライバ出力のノイズスペクトルの計算結果を示す。SNR は 98.9dB まで改善できており、光出力 ONられる見込みを得た。
3−2

波長可変レーザの制御

シャットダウンモード

電源制御安定外部の安定電源を供給した場合と同程度のノイズ特性が得
図 1 に示すように、波動作モード

長可変レーザモジュールには、波長可変レーザと TEC の他

設定値転送
波長切替開始に、光出力をモニタするための光パワーモニタ、波長モニ波長切替モードタ、温度モニタを内蔵している。今回開発した波長可変レーザ制御 IC では、光パワーモニタ、波長モニタの値を用シャットダウンいて波長可変レーザの光出力と発振波長を制御する回路を搭載している。具体的には、光パワーモニタおよび波長モ

図5

ステートマシンの概略

ニタから出力された電圧を ADC にてデジタル値に変換し、それぞれ光出力制御部、波長制御部にて目標値とのずれを求め、そのずれを補正するよう演算処理した値をドライバに入力し、波長可変レーザに供給する電流を制御する。温のサンプリング周期によって決まる。図 6 に示すように、本 IC では、波長可変レーザの動作が安定している時には、度モニタに対しては、ADC でデジタル変換された値をA ～ F の全ての項目をモニタし、設定波長の切替時には ACPU に転送し、CPU を介して TEC に対する負帰還制御を～ C の光出力および発振波長に関わる項目のみ値をモニタ行なうことで、レーザ温度を一定に保つ。本 IC では、これすることで、切替時間を短縮する構成を持たせた。

らの負帰還制御の演算処理をデジタル回路に持たせることで、回路サイズと消費電力の低減を図った。デジタル制御
では演算による精度劣化が懸念されるが、固定小数点演算時間における桁数を最適化することで回路サイズを抑えつつ精度を確保する構成とした。波長制御部については、低雑音のΣΔ型 DAC（Digital to Analog Converter）を搭載したドライバを用いることで発振波長に対する精度を確保した。
3−3

波長切替時間の短縮

今回開発した波長可変動作モード

A

B

C

D

E

F

A

B

C...

波長切替モード

A

B

C

A

B

C

A

B

C...

図6

レーザ制御 IC は、システムコントローラに半自立的動作をADC のデータ取得のタイミング構成行なうステートマシンを備えており、CPU との SPI インターフェースによる通信によって生じる時間的制約を受けることなく、波長可変レーザを安定制御する構成としている。図 5 にステートマシンの概略を示す。波長可変レーザ制御 IC は外部からの電源電圧供給後、CPU から転送され4.

諸特性
図 7 に、開発した波長可変レーザ制御 IC を用いて当社製た初期値を用いて内部回路を設定したのち、電源制御を開波長可変レーザを制御した際の消費電力の測定結果を示始し、TEC とドライバに所望の電圧を供給する。その後、す。スイッチングレギュレータ未搭載の構成では、消費電CPU からのトリガ信号を受けて光出力制御、および波長制力は 4.0W であり、目標の 3.5W に到達しない。一方、本御を開始し、安定動作状態に移行する。波長切替をする際、構成における消費電力は 3.4W であり、スイッチングレCPU は波長可変レーザ制御 IC に対して、次の設定波長にギュレータによる消費電力低減の効果によって目標値を満対するパラメータと波長切替を指示するトリガ信号のみを足した結果が得られている。

転送し、波長可変レーザ制御 IC はそれらの信号を受けて自図 8 に、バックコンバータとドライバの出力波形を示す。

動で波長切替を実行する。この構成により、CPU の負荷をバックコンバータ出力では、出力ノイズが 10mV 程度に抑増大させることなく短時間で波長切替を実行することが可えられている。一方、ドライバについては、出力ノイズは能である。

3mV 程度の変動に収まっており、バックコンバータの出力また、さらなる波長切替時間の短縮として、負帰還制御ノイズとの相関が見られていないことから、バックグラウの応答速度を速める機能を搭載した。デジタル回路によるンドノイズもしくはドライバ自体のノイズが支配的になっ負帰還制御の時定数は、制御ループにおける係数と ADCていると考えられる。電源電圧変動除去比の良いドライバ

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 47 ）−520measurement

4.0W
3.4W

3回路

2TEC

1015Frequency error [GHz]Power dissipation [W]4simulation

1050レーザ-5スイッチングレギュレータ
未搭載時

図7-2本構成024681012141618Time [msec]

図9消費電力の測定結果

波長応答35バックコンバータ出力

10mV

Optical output [mW]

3025201510503mV

ドライバ出力-100101µsec

10mV/div

2030405060405060Time [msec]（a） 光出力応答

図8出力波形
1550.116nm（55ch）を設計したことで、スイッチングレギュレータの出力ノイ性が得られた。
図 9 に、波長可変レーザ制御 IC を用いて当社製波長可変レーザを制御した際の波長応答の測定結果を示す。これは、波長制御を停止した状態で発振波長が目標値からずれた値になるようにレーザ電流を設定し、T ＝ 0 秒の時点から波長制御を開始した際の応答である。目標波長から約 12GHzずれた波長からでも 5 ミリ秒程度で目標波長に収束しておFrequency error [GHz]

供給電源をドライバ電源電圧に使用した場合と同程度の特20

光出力ＯＦＦズが波長可変レーザに与える影響を低減できており、外部

1538.581nm（26ch）

151050-5-1001030Time [msec]

り、周波数誤差は目標値の +/-1.5GHz 以下に対して非常に（b） 波長応答小さく安定した波長制御ができている。
図 10 は、波長可変レーザの発振波長を 1550.116nm

20

図 10

波長切替時の応答（55ch）の設定波長において安定動作している状態から、1538.581nm（26ch）の波長に設定を切り替えた時の光出力および発振波長の時間変化を示した結果である。このる。光出力強度、発振波長とも 50 ミリ秒以内の短時間の測定では、波長可変レーザが安定動作している状態から光間に目標値まで収束できている。今回、波長切替の測定結出力を瞬時に遮断し、次の設定波長に対するパラメータを果の一例を紹介したが、波長切替に対する光出力の変化率

各部に設定したうえで光出力を所望の値まで上昇させていや継続時間についてはステートマシンの設定で調整可能で−（ 48 ）− デジタルコヒーレント光通信用波長可変レーザ制御 IC

あり、要望に応じて波長切替のタイミングを変更することが可能である。

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※1

写真 1 に開発した波長可変レーザ制御 IC の外形を示す。

光の発振波長と発振周波数には以下の関係がある。

本 IC は 0.18µm の CMOS プロセスにて作成し、IC チップの外形は 5mm ×5mm である。最後に、表 2 に本波長可変周波数誤差

発振周波数［Hz］＝光速［m/s］／発振波長［m］
1.5GHz の周波数誤差は、約 12pm の波長誤差に相当する。

レーザ制御 IC の概略仕様を示す。

※2

バックコンバータ

降圧コンバータ。入力されるパルス信号に対し、そのデジタル回路

ドライバ

デューティ比に比例した電圧を高効率に出力する回路。
※3ステートマシン

制御信号を作り出すための順序制御回路。入力条件と現在の状態によって次の状態が決まる。

参考

文

献

（1） OIF-ITLA-MSA-01.2,“Integrable Tunable Laser Assembly MSA”
（2） OIF-MicroITLA-01.0,“Micro Integrable Tunable Laser Assembly
Implementation Agreement”（3） 金子俊光 他、「波長可変レーザ CSG-DR-LD の単一温度動作構造検討」、2011 年電子情報通信学会エレクトロソサイエティ大会講演論
文集、C-4-9、pp224

ADC

写真 1

表25.

IC チップ写真

波長可変レーザ制御 IC の概略仕様

電源電圧+ 3.3V +/- 7 ％チップサイズ

5mm × 5mmパッケージサイズ

7mm × 7mmパッケージ

56pin-QFN

ゲート数

880k ゲート

消費電流（ドライバを除く）

49 mA

結執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------五 十 川 知 子＊：伝送デバイス研究所
田中啓 二 ：伝送デバイス研究所

坂野英 一 ：伝送デバイス研究所

金子俊 光 ：伝送デバイス研究所

上坂勝 己 ：伝送デバイス研究所

グループ長

言

小型波長可変光源用途に波長可変レーザ制御 IC を開発した。当社製波長可変レーザと組み合わせて特性評価を行ない、低消費電力を実現するとともに光出力、発振波長に対グループ長しても良好な特性を示すことを確認した。本 IC は、microITLA などのデジタルコヒーレント光通信システムのプラガブルトランシーバに搭載する小型波長可変光源に適用可能である。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 49 ）−