特別論文

光データリンクの研究開発

西

江

光

昭

Research and Development of Optical Data Link Modules ─ by Mitsuaki Nishie ─ Optical data link modules(ODLs) are one of the basic components used in optical communication systems. In the beginning, ODLs weredeveloped as low-end components applicable for 1 Mb/s transmission rate. With the progress of optical transmission
technologies, ODLs evolved to become faster, smaller and multifunctional. Today, the most advanced ODLs have atransmission rate exceeding 10 Gb/s, a dispersion penalty compensation function, and also various control functions
using built-in microprocessors. Widely used in applications such as public communication systems, local area
networks and large-scale server systems, ODLs play important roles in the information society. Sumitomo Electrichas been developing and shipping ODLs as well as optical fibers and optical devices since 1970s, and this paper
describes the ODL development concept and technologies of Sumitomo Electric.

1.

緒

言

光データリンクは光通信を行う際に使われる最も基本的な部品の一つである。光送信側では電気信号を光信号に変

アクセス系（GE-PON)換、伝送路である光ファイバに効率良く光信号を結合させる機能を持ち、光受信側では光信号を電気信号に変換する（1）〜（3）。光データリンクは図 1 に示すように光機能を持つ

送信モジュールと光受信モジュールで構成される。光送信、光受信が個別のモジュールもあるし、一体となった光トラ

ONU

集線装置

ブロードバンドネットワーク
ＷＤＭシステム
長距離幹線系

>2.5G
GE

メトロ網
中継系

E,FE

ＬＡＮ
（ローカルエリア）

ンシーバモジュールもある。また、光伝送方式の高度化に伴い、光データリンクに光信号の処理機能、電気信号の処
理機能を搭載した複合モジュールもある。光通信にはアナログ信号を伝送する方式、ディジタル信号を伝送する方式

ＳＡＮ（ストレージ）があるが、一般的に光データリンクはディジタル信号伝送用のモジュールを指す場合が多い。現在では、図 2 に示す

図2

光通信ネットワークと光データリンク

ようにブロードバンドネットワークのいたるところで使われている。
光データリンクという用語は、この種のモジュールが出のモジュールは E/O、O/E と表現されている場合が多い。

始めた時には、一般的には使われていなかった。通信機器

光通信の実用化で世界の最先端を走っていた米国大手メーメーカ等の光通信システム構成図を見ても、この種の機能

カも、Optical Transmitter Module, Optical Receiver Module と言う用語を使っていて、Optical Data Link という表現は無い。おそらく、世界で最初に光通信用の光電気変換モ

光送信モジュール
入力信号

光受信モジュール

光コネクタ

光コネクタ

出力信号

ジュールを光データリンクと命名したのは当社であると思われる。70 年代末に光伝送用モジュールを SUMILINK ® と称して製品化したのが、光データリンクのデビューであろ

ドライブ
回路

LD,
LED

PD

受信
回路

う。SUMILINK® が世に出された時にはアナログ TV 信号伝

光ファイバ

送用の SUMILINK® AM-01 とディジタル伝送用モジュール

・標準光インタフェース
・標準電気インタフェース

SUMILINK ® DX-01 があった。アナログ伝送用のモジュー

図１

光データリンク構成

ルはその後、映像伝送システムに合わせたカスタム製品化、更には CATV 用光伝送機器として発展していき、現在では

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 1 ）−

CATV 幹線用等に幅広く使われているが、いわゆる汎用の

折りしも京都大学情報工学科から 1Mb/s の光通信コン

モジュールの形態とならなかった。ディジタル伝送用スミ（4）の引き合いがあり、ピュータネットワーク（LABOLINK）

リンクTM は、ハイブリッド IC 技術を採用したニュースミリ

76 年 5 月に納入した。光源は近赤外（0.91μm）の LED、ンク、モールド技術を採用したスーパースミリンクと発展受光素子はシリコン PIN フォトダイオードで、光ファイバ

し、公衆通信用、LAN 用等の光データリンクとして幅広く

はコア径 200μm の PCF（Plastic Clad Fiber）であった。シ

製品化されてきた。光データリンクと光デバイス研究開発

ングルモードファイバはおろか、まだ石英マルチモード

活動の変遷を図 3 に示す。

ファイバも敷設に耐えるものは無い時代であった。光ファ
イバの接続技術が無く、また光コネクタも光ファイバ同士の接続に使えるものが未開発であったので、長めのファイ
バケーブルを敷設し送受信器の設置場所に合わせて巻き取

西暦

75

80

85

90

LPE

95

り、光ファイバ端に現地で光コネクタを取り付け、光送受

LED
クロライドVPE

光デバイス
技術

00

プロセス技術

MQW-LD

埋込み技術
高パワーLED

光デバイス設計技術

信機と接続した。当社初の光通信システム納入であったが、

PD
OMVPE

エピ技術

LD実装技術

回折格子形成技術

DFB-LD

LD導波路設計

高速動作設計

10G-LD

光ファイバケーブルの敷設工事も当社初という実験室から出て実際のデータ通信に使われた最初の製品であった。

TO-CAN 球レンズキャップ ピグテイル レセプタクル

このように最初の光伝送システムは光部品技術が不充分
IC設計技術
光リンク
技術

リンク実装技術

SiカスタムIC

アナログ回路技術

PCB/個別部品

LAN用IC

GaAsカスタムIC

セラミック基板/SOP-IC

SDH用IC

2.5G用IC

SDH用IC

2.5G用IC

10G用IC

電波暗室整備

18GHｚ対応

EMI/ESD技術

セラミック多層基板/ベアチップ実装

PKG技術
板金筐体

セラミック/メタル

SFP用IC

10G用IC

必須の TOSA（Transmitter Optical Sub-Assembly）、ROSA

PCB/ベアチップ実装

樹脂モールドPKGな中で、必要最小限の性能は出せたが、光データリンクに（Receiver Optical Sub-Assembly）、光コネクタ技術は、

高放熱TRｘPKG（5）1976 年から進めた東生駒映像情報システム（Hi-OVIS）

アナログ

アナログビデオ伝送リンク

CATV用LDモジュール

10Mb/s伝送リンク チャネル用リンク トークンリング用リンク エスコン用リンク
32Mb/s LAN用リンク FDDI用リンク

当社製品

FDDI用SSL

一心双方向モジュール

ギガビットイーサ用リンク

TOSA

最先端の双方向 VOD（Video on Demand）システムであっSDH2.5Gb/s用リンク WDM用TRｘ

た。情報化社会を予見したアルビントフラーの有名な著書

LAN/SAN

SFP
SFF

SDH/ソネット

FDDI規格

京大ラボリンク
市場動向

東生駒システム

図3

SDH用リンク

SDH規格

LAN黎明期

インターネット(IP)光CATVの開発を通して培った。このシステムはその当時としては、

XFP
X2

FTTH

WDM実用化

光デバイス／リンク研究開発活動の変遷である「第 3 の波」が発行されたのが 80 年であり、それよ
り 2 年前に Hi-OVIS は完成していたことからも、その先進性が分る。
TOSA は発光波長 0.83μm の LED（6）にスタブファイバと新規開発のフェルール径 4mm の光コネクタを取り付けたものであった。写真 1 に TOSA の外観を示す。ROSA は、コ

2.

当社に於ける光通信技術開発の黎明期

ネクタフランジに新規開発の受光径 800μm の Si フォトダ
イオードを無調芯で取り付けたものであった。光コネクタ

当社で光リンク開発に繋がる光通信技術開発がいつごろは当時の PCF 特有のファイバコアの突き出し（現在の開始されたのか、昔の資料を調べてみたところ、1975 年 6

Hard-clad-PCF ではこの問題は無い）を抑えるための特殊

月 13 日に第一回光通信システム開発連絡会議が横浜で開かな構造を持つものであった。このような新規開発の光部品

れていることが分った。それ以前にも調査検討はしている
ようだが、具体的な目標を持って開発に着手したのは、この時点と思われる。光ファイバ、光デバイスについては先行して、開発に着手しており、当社の光ファイバ開発、化合物半導体開発にやや遅れて光通信システム開発が始められ、今の光データリンク事業に繋がっている。
種々の光伝送技術の調査と平行して、光伝送実験を細々と始めたのがこの時点であったが、当社で最初の光伝送実
験は可視光 LED を光源に用い、受信はシリコンのフォトダ
イオード（PD）にシリコン MOS-FET のアンプを接続した構成の 1.544Mb/s システムであった。誤り率試験機等も入手出来ず擬似ランダムパターン発生器を手作りして伝送実験を行った。実験には 200m 長のファイバを用いたが、実際に光信号がファイバを通るのは、当たり前と言えば当たり前であるが、伝送出来ることを確認したことは百聞は一見に如かずという感慨があった。

−（ 2 ）− 光データリンクの研究開発

写真 1

Hi-OVIS に使用された TOSA

LED 光源に、スタブファイバ、モニタ PD、ヒートシンクが付いている。

と、アナログベースバンドビデオ伝送技術を駆使して、78下であり、主に FA 用等で使われた。この種の光データリ

年春に Hi-OVIS を無事完成させ、7 月に運用開始した。Hi-

ンクは電子回路を高度化し、光ファイバ突き出しを押えた

OVIS は双方向 VOD システムなのでアナログ画像音声信号

H-PCF（7）を開発して、FA 用途等を対象とした SUMILINK®（7）と制御データを伝送する必要があるが、画像音声信号は通として製品を供給している。以下の項では、シングルモー

常の NTSC 信号フォーマットを用い、制御データは 6MHz

ドファイバやマルチモードファイバを使用する更なる高速に振幅変調方式で周波数多重する方式を用いた。基本的に化、長距離化対応の光データリンクの研究開発について記

はアナログ変調方式である。Hi-OVIS の開発を通して光述する。当時の光データリンクが搭載された光通信システ

データリンクに必須の実使用に耐える光部品を他社に先駆

ム基板の一例を写真 2 に示す。

けて開発出来たことは、その後の光データリンク開発に大いに役立った。

3.

4.

HIC を採用した光データリンクの開発

SUMILINK ® の商標で光データリンクを製品化したが、初期の光リンク開発

その構造は板金折り曲げの筐体に TOSA/ROSA をネジ止め

基本的な光通信技術を Hi-OVIS 開発で培ったが、その後し、プリント基板実装の電子回路部を収納するという稚拙のディジタル時代を予見して、ディジタル伝送技術開発をなものであった。折りしも、カーエレクトロニクス部門で開始した。光データリンクとして最初に開発したモジュー

ハイブリッド IC（HIC）開発に着手し、光データリンク開

ルは、TTL インタフェースであり、伝送速度は〜 500Kb/s

発グループも一緒に HIC の技術習得をするよう提案があであった。送信は LED の電流を単純に ON/OFF させて発り、早速参加した。当時としては最先端の実装技術であり、光／消光させるものであり、受信はフォトダイオードに抵

その後の光データリンク開発に大きく役立った。カーエレ

抗を負荷した回路を FET 入力の電圧比較（コンパレータ）

部門は HIC そのものの開発と HIC を使用した製品開発の双IC で電圧検知して、受信信号を取り出すというものであり、方を進めたが、光データリンクでは HIC を使いこなして競

光受信レベルに合わせて比較電圧レベルの調整を要するも争力を高めることに重点化して開発を進めた。具体的にはのであった。Hi-OVIS 等では、光受信フロントエンドには

電子デバイスのベアチップ実装による高性能化、小型化に

MOS-FET 等を用いた高感度受信回路を採用していたが、加えて、HIC を YAG レーザファンクショントリミングす

光データリンクは単一電源、小型化を優先して、フロント

ることにより光デバイス／電子デバイスのバラツキを補正

エンドアンプは省略し、電圧比較器にいきなり入力する方しようというものである。各種部品を実装組み立てたモ式とした。多少の性能は犠牲にしても低コスト、単純かつジュールをレーザトリミングにより、①光出力レベルの調安定に動作することを優先する方針で開発を進めた。しか整を行うこと、②発光デバイスの立ち上がり下がり時間のし、大きな問題は Hi-OVIS で開発した光部品のコストが非バラツキでパルス幅歪が出るのを補正すること、③光受信

常に高く、光データリンク全体としては高コストになると信号の 1，0 判定スレッショルドレベルを調整すること等にいうことであり、光部品の低コスト化を図った。低コスト使用した。これにより、光通信に要求される厳しい諸規格化の主要な方策はプラスチックスリーブでかつスリーブがをクリアして安定した性能を実現する光データリンクが開円筒形では無く先端が細い円錐台形で、突き出しをガラス発出来た。この光データリンクはニュースミリンクと名付窓で抑えた光コネクタと、それに適合する TOSA、ROSAけられた。最初に製品化したモジュールは、その当時に出の開発であった。この光コネクタを用いた光データリンク

始めた高速イーサネット（注）対応の 20Mb/s の DM-02 とトーは使用対象となるファイバは PCF で、伝送距離は数 km 以

クンリング LAN（46） 対応の 32Mb/s の DM-03 である。外観
形状を図 4 に示す。送信／受信共に単一 5V 電源で動作す
るモジュールであるが、受信側では、± 5V で動作する IC
しか入手出来ず、やむを得ず 5V を− 5V に変換する
DC/DC-IC もモジュールに組み込んで単一 5V モジュールとした。HIC の導体抵抗値が高いことも一因で、DC/DC のス
イッチングノイズが回り込み受信感度が低下することに大変苦しんだが、HIC のグラウンド配線には銅導体のいわゆるバスバーを入れることと、ノイズキャンセルのために受信フロントエンドの信号と逆相の差動入力にフォトダイ
オード容量と等価の可変コンデンサを入れ、製品毎に微調整をすることによって必要受信感度を確保することに成功
し（写真 3 参照）、ようやく光データリンクも量産をすると

写真 2

SUMBUS-ST-LS に搭載されたスミリンク初期モデル

いう段階にこぎ着けた。対象となるファイバはマルチモー

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 3 ）−

代後半に検討が進められた FDDI（Fiber Distributed Data

＋5V

＋5V

Interface）の規格審議への参加、対応製品開発に大いに貢PD献した。また、当社の FDDI を始めとする LAN 製品（14）にも搭載された。
筐体には社内製セラミックパッケージ（15）を用いて迅速な
光データリンク開発に対応してもらった。写真 4 に外観形
高速アンプ

状と内部構造を示す。

高速信号
比較器
Vth
−5V

DC/DC

＋5V

フォトダイオードと同一容量で電源ノイズキャンセル

図4

DM-03 受信部回路図

写真 4 FDDI 用光データリンク外観（上）と受信部構造（下）GaAs-FET による受信フロントエンド部（＋ 12V）
、ゲイン不足のためブートストラップ回路で PD 容量キャンセルし、受信帯域確保
SOP − IC は当社初の光通信用カスタム IC（− 5V 動作）

写真 3

HIC を使用した最初の光データリンク
DM-02 も同一形状

5.

モールド型光データリンクの開発

セラミックパッケージを採用して光データリンクを開発してきたが、今一つ競合他社との差別化は難しかった。そドファイバ、光源は短波長（0.85μm）、電気入出力は TTLのような状況の中、VICC という委員会で大阪／横浜地区

インタフェースの製品であった。

横断で次世代光データリンクの構想を議論した。光データ

信頼性については、その当時平行して進めていた大手のリンクを構成する全ての部品も検討対象として、約 1 年のコンピュータメーカとの光モデム共同開発等で習得した技

検討期間を経ての結論は、樹脂モールド技術を適用した光術があり、試験項目とサンプル数の規定を定めて量産化に

データリンク開発であった。シリコン IC 等の電子デバイス

当っては必ず試験実施、試験結果のレビューを行ってきた。

は樹脂モールドパッケージが標準であるが、シリコン IC とこのような状況の中、高速化、長寿命が期待出来る長波比べて、素子としての完成度の低い光デバイスをモールド

長の光データリンク開発に踏み出すきっかけとなる引き合パッケージに入れようと、また精密部品である光コネクタ

いがあり、200Mb/s の光データリンク開発を始めた。このスリーブをもモールドパッケージに入れようというチャレ

引き合いは当初、光源が短波長レーザの仕様であったが、ンジングな目標であった。もっとも光デバイスを直接モー（9）
当社からのカウンタープロポーザルで長波長 LED 仕様（8）、

ルドするわけでは無く適切なパッケージに搭載し、となった。この光データリンク開発は、当社を含む日米欧

TOSA/ROSA 構造にしてモールドしようというコンセプト

3 社の開発競争になったが、当社は 200Mb/s を単一 5V で実である。この技術は結局当社以外のメーカは実現しなかっ現する技術（特に受信フロントエンド部を 1 チップカスタ

たことからも分るように大変ユニークかつ、非常識な提案

ム IC で実現することが必須）を持っていないために、他社であった。

の後塵を拝することとなった。しかし、内製長波長 LED のモールドパッケージングのアピールポイントは、ネジと開発が進み、受信モジュールは 2 電源ではあったが高速光

半田付けが無い高信頼性で光データリンクメーカにとってデータリンク開発（10）〜（13）に成功し、この製品／技術は 80 年

もユーザにとっても量産性に優れた光データリンクの実現−（ 4 ）− 光データリンクの研究開発であった。また、従来の光データリンクは基板にリフロークレームが根絶出来なかったが、モールド構造の光リンク

半田し水洗浄をすることは不可能であり、手間のかかる手は従来構造と比べて桁違いの高信頼性を示した。現在に至実装の工程が必要であった。これをモールド構造にするこるまで当社の光データリンクは高い信頼性で市場の評価をとによって、一般の電子部品と同様にリフロー半田し水洗得ているが、その先駆けとなる製品であった。光データリ

浄し、自動実装化が可能になることをユーザメリットとしンクの組立工程を図 6 に示す。

てアピールした。
このモジュールはスーパースミリンク（Super SumiLinkTM ： SSL）と命名したが、VICC 出席での新幹線
LED

ビュッフェで話題の新製品アサヒスーパードライを飲みな

TOSA／メタルパッケージ

がら名付けたものである。
VICC の方針を受け、88 年からモールド型光データリン
送信回路

ク開発を開始した。光データリンク仕様は市場が立上りつつあった FDDI 対応とした。
この開発ではモールドパッケージングの技術開発に留まらず、モールド構造に適したコンパクトな電子回路にする

受信
フロント
エンドIC

ために送信／受信用 IC、光デバイス用パッケージの開発も平行して行う必要があった。その他の部品も根本的な見直受信回路しを迫られ、結局 LED チップ以外は全て新規設計となる大PIN-PD

プロジェクトとなり、IC 設計／回路設計チームと機構設計チームとのコンカレント技術開発を進めた。この開発には、
図 5 に示すように ROSA には伊丹のセラミックパッケー

図5

ROSA／セラミックパッケージ

モールド型 FDDI 光データリンクブロックダイアグラム

ジ、TOSA に銅タングステンパッケージ、大阪の LED、PDの開発等も同時に進める必要があり、各部門の全面的な協力を得て開発を進めた。夫々に開発課題がある上に抜本的かつ前例の無い設計変更であり、信頼性確認には万全の注意を払った。部分的な試作段階で少量のサンプルであって

TOSA
TOSA/ROSAと基板間
リードフレームと基板間をアルミワイヤで接続

も、ヒートサイクル、湿熱試験、振動試験等を実施し、不具合を早く発見することに努めた。例えば通常のモールドIC と比べて非常に大きいサイズのモールドパッケージであROSAるためにストレスも大きく、パッケージクラックを回避し

送受信回路
基板

ながら内部基板のサイズを最適化する必要があり、強度計
算と試作を繰り返してサイズを決定した。
モールド金型に入れた状態

最後に残った大きな課題は TOSA/ROSA と回路基板を接続する方式であった。これには様々な要件を考慮して、太物アルミワイヤボンディングが最適であるとの結論を得ていた。太物アルミワイヤボンディングは車載機器やパワーデバイスに使われる技術であり、その分野では確立された技術であるが、TOSA/ROSA のひ弱なリードピンへのボン

樹脂モールド後
リードフレーム切断前

ディング条件確立、ボンディング後モールド金型に入れるまでの工程でアルミワイヤにストレスがかかることが不可避であることなどから、充分な特性を得られるまでにワイ
ヤ径、ワイヤ特性、ボンディング条件／設備／冶具等で試作を重ねて適切な条件を割り出した。このボンディング技術は一般的な電子デバイスへのワイヤボンディングと比べ光レセプタクルを取り付けた完成品て歩留りとしては完全とは言えず、いくらかの不良（断線不良）を工程内で発生する状態で製品化されたが、一連の工程が非常に強いスクリーニング試験となり、製品として完成したものは市場での不良は発生しなかった。それまでの光リンクはネジ止め、手半田作業等での組立に起因する

図6

モールド型光データリンク組立工程

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 5 ）−

この光データリンクの電子回路部としては、LED 駆動用

ユーザに H パターンで基板配線をすれば、当社の光データ

IC、受信フロントエンド用 IC（TIA）、受信リミッティング

リンクを使用出来、万が一の不具合の場合は 4 社連合品も用 2R-IC（Reshaping Regenerating）を開発した。IC のプロ

使えることをアピールした。その結果、H パターンで当社

セスは全てシリコンバイポーラである。高速 IC としては社品を使用するユーザが徐々に増え、また当社品の供給不安（17）、
内でも GaAs プロセスの実用化が進み始めていたが（16）、も杞憂に過ぎないことがユーザでも分ってきた。更に H パ

光データリンク用途には時期尚早と判断した。IC 設計シターンを止めて 1 列ピンパターンにすれば、部品実装面積

ミュレーションも光データリンク開発グループが行い、ICが増えてより高機能小型のボード設計が出来るので 1 列ピを使う立場で最適な機能を実現する設計に努めた。IC メー

ンパターンにするというユーザも現れ始めた。これに相前

カは国内の大手電機メーカ 2 社を選んだ。

後して、4 社連合の一社が SSL の OEM 販売することになり、受信フロントエンド用 IC は図 7 に示すような構成であ

結果的に当社は FDDI 用光データリンクでシェアトップとり、現在の技術から見るとノイズ耐性にやや問題ある方式

なり、ピン配置は 1 列ピンが大半を占めることとなった。

ではあるが、筆者の知る限り世界初の差動出力段を持つ光

引き続いて、やや大型の FDDI 用光コネクタに代わり受信フロントエンド用 IC である。これはモールドパッケー

SC2 芯光コネクタを使用した次世代の小型モジュールの開

ジングというノイズ耐性に関しては必ずしも最適では無い技術を補完する方式であった。その後、光データリンクの動作安定性の観点からノイズ耐性の改善が進められ、現在では他社製品でも光受信フロントエンド用 IC はほとんど例（19）。
外無く差動出力段を持つ構成になっている（18）、

ＦＤＤＩＴＲｘ
2列ピン型

フォトダイオード

データ出力

シリコンバイポーラ ｆT=20GHｚ

図8
図7

ＳＤＭ3101
Ｓｕｍｉ
ｔｏｍｏＥ
ｌ
ｅｃｔ
ｒ
ｉ
ｃ

データ出力

一列パターンならば
実装出来る
電子部品類

FDDI 基板 H パターン実装図

受信フロントエンド IC（点線内）

このようにして、開発した FDDI 用モールド型光データ（21）、90 年 3 月の製品化とほぼ同リンク（SSL）であるが（20）、時期に欧米の最強と言える競合メーカ 4 社がピン互換品を

FDDI
125Mb/s
13ピン一列
43×63×12mm（32cc）

発表した。SSL の販促キャラバンでは非常に良い反応を得られていたが、欧米の巨大情報通信／エレクトロニクス
メーカ連合軍と無名のメーカの比較ではユーザの実使用での判断は連合軍に軍配が挙がることになってしまい、SSLのメリットを重要視する一部のユーザ以外ではほとんど採用されないという事態となった。乾坤一擲の意気込みで開発した光データリンクであり頭を抱えることになったが、困った時には妙案が見つかるものである。4 社連合の基板

SC2芯型
9ピン一列
25×38×9.5mm（9cc）

実装ピン配置は 2 列ピンであり、当社 SSL はそれに直交する向きで 1 列ピンであるが、図 8 のように双方が搭載出来る H 型のプリント基板配線パターンを見出した。早速、−（ 6 ）− 光データリンクの研究開発

写真 5

一列ピン型光データリンクの小形化

発の動きが持ち上がったが、今度は有力メーカ各社共に当と の 技 術 検 討 を 繰 り 返 し て 1 5 5 M b / s （ S T M - 1 / O C - 3 ）、

初より一列ピンで開発を進めた。写真 5 に FDDI 用光デー

622Mb/s（STM-4/OC-12）の両方で使うことが出来、無調

（23）
を示す。
タリンクと SC2 芯型光データリンク（22）、

整で動作する 3R-IC の開発を決定した。
リタイミング機能を実現するためには、受信データを適

6.

切なタイミングでクロック信号で打ち抜く必要があり、タ

公衆通信用光データリンク

イミングのバラツキが大きく従来技術では一つ一つ製品毎

91 年に FDDI 用モールド型光データリンクの開発を終了に調整していた。モールドパッケージではこのような調整し事業部移管した後の次なる光データリンク開発ターゲッ

が出来ずリタイミングを実現するには、無調整化が必須で（25）が ITU（国際
トは、80 年代末に SDH ／ソネット規格（24）、あった。そのために、IC 設計ではデータ信号とクロック信

電気通信連合）により制定されたことから公衆通信用モ号の遅延時間の温度依存性も含めて詳細にシミュレーショ

ジュールに定めた。公衆通信用モジュールは従来、伝送機

ン、設計を繰り返してバラツキも含めて仕様を満足する設器メーカが個々の仕様に基づいて内製している場合がほと計条件を見出して IC 開発を進めた。

んどであったが、伝送規格の標準化により汎用品として取引されることになると見込んでのことである。規格概要を
表 1 に示す。LAN 用光データリンクメーカが信頼性／仕様が厳しい公衆通信用モジュールを開発して勝ち目はあるのかという疑問を残しながらも、モールドパッケージという目に見える特徴を最大限に活かせば道は開けると信じて開発を進めた。モールドパッケージのアドバンテージを最大限に活かすために、形状は汎用電子デバイスと同一の 24 ピ
ンのフットプリント（ピン配置、サイズ）とした。写真 6に外観を示す。このサイズは当時の同機能のモジュールと（27）。その当時の公衆比べて、1/4 から 1/5 のサイズである（26）、

外観

通信用光データリンクの受信にはクロック再生機能が必須
写真 6

であり、24 ピンモールドパッケージという特徴を活かしてモールド SDH 光データリンク

製品化を完遂するためには、小型化のためにリタイミング機能を持つ 1 チップの受信 3R-IC（Reshaping Retiming
Regenerating）の開発が必要不可欠であった。IC 開発は国細心の注意を払って設計をしたものの悪い予想は当り、内の大手電子機器メーカと共同で開発することとし、先方リタイミングクロックパルス発生回路のノイズが大きく、動作不安定に陥り開発は難航した。結果的にはクロックパ
ルス発生回路の電源ラインにインダクタを入れ他の回路部との電気的アイソレーションを取り、さらに電源パスコンは入れないという常識に反する回路構成で安定動作を得

表1

代表的な SDH ／ソネットの伝送仕様

STM−1

STM−4

た。この IC は当社仕様に基づき開発を進め、IC メーカもSTM−16

STM−64（155Mbps） （622Mbps）（2.4Gbps）(10Gbps)1.3μm帯2km−15dBm
短距離−23dBm（Intra office）（FP-LD）（PIN-PD）

1.3μm帯1.3μm帯1.3μm帯2ｋｍ
2km
2km−15dBm−10dBm−6dBm−23dBm−18dBm−11dBm（FP-LD） （FP-LD） （DFB-LD）（PIN-PD） （PIN-PD） （PIN-PD）

1.3μm帯15km−15dBm
中距離−28dBm（Short Haul）（FP-LD）（PIN-PD）

1.3μm帯1.3μm帯1.55μm帯
15km
15km
40km
−15dBm−5dBm−1dBm−28dBm−18dBm−13dBm（FP-LD） （DFB-LD） （EA-LD)（PIN-PD） （PIN-PD） （PIN-PD）

1.55μm帯
80km
−5dBm
長距離
−34dBm（Long Haul）（DFB-LD)（PIN-PD)

1.55μm帯 1.55μm帯 1.55μm帯
80km
80km
80km
−3dBm
−2dBm
−2dBm
−28dBm−28dBm−26dBm（DFB-LD) （DFB-LD） （EA-LD）（PIN-PD)
（APD)
（APD)

上から順に、波長、伝送距離、光送信出力、受信感度、推奨発光素子、推奨受光素子

外販可能（オープンカスタム）という条件であったが、結果的には他社は使いこなすことは無く、当社の SDH 用光
データリンクの競争力の維持に貢献した。この IC を使用した受信モジュールのブロックダイアグラムと内部構造を図9 に示す。
リタイミング素子には、その当時最も安定した性能が期待出来る SAW フィルタ方式を採用した。SAW デバイスは差動入出力でモールドの熱履歴に耐えられるものを外部メーカと共同開発した。
また、受信フロントエンド用 IC には、当初はバイポーラ
デバイスを検討していたがダイナミックレンジの問題を克服出来ず、デバイスとして飽和特性に優れる FET の採用が必須であり、社内製の GaAs-IC を採用した。ダイナミック
レンジを広げるためのクリッピング機能も搭載したもので（29）。
ある（28）、

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 7 ）−

送信モジュールはレーザダイオード、レーザ駆動 IC、光来ないと判断し、金属パッケージを選択した。目標仕様は、出力制御 IC が主要部品であるが、レーザ駆動 IC には内製

小型化、低消費電流化を狙った中短距離対応とした（表 1、

GaAs-IC を採用した。シリコンバイポーラIC に比べて、レーSTM-16 参照）。完成品の外観を写真 7 に、消費電力とサイ（30）ザ出力波形の安定性に一日の長があったためである 。
この SDH 用光データリンク開発もモールドパッケージ、IC 開発のコンカレント開発であったが、約 2 年の期間で当ズ（容積）を図 10 に示す。サイズは送受信モジュール合
わせて 18cc（36）と小型化開発（37）〜（40）が進んでいる中でも最小容積を狙った。

（32）に成功した。こ
初目標の性能の光データリンク開発（31）、の光データリンクは競合他社の金属筐体の光データリンク
（21）、
（22）

とは一線を画す電子デバイスをイメージさせる外観

でリタイミング機能も含めて SDH ／ソネット規格を満足す
るモジュールであり、国内外伝送機器メーカで幅広く採用され、当社光データリンクの公衆通信分野への進出の先鞭を付けるモジュールとなった。

3R-IC

Vpd

送信部 4.5ｃｃ
受信部 13ｃｃ

delay
PD

Preamplifer

Exclusive OR
D-FF

Post
PIN-AMP Module

写真 7

2.5Gb/s 光データリンク

SAW filter

Amplifier
RD
RD

15

FLAG

Peak hold

FLAG
RCLK

（a）受信モジュールブロックダイアグラム

PIN-AMP（ROSA） 3R-IC

SAWフィルタ

消費電力典型値（W）

RCLK

E社

10

T社
B社
住

5

友

A社
H社

温度制御ありF社
温度制御なし

0

0

100

200

300

容積サイズ（cc）

図 10

2.5Gb/s 光データリンクサイズ・消費電力比較（ｂ）内部構造

図93R-IC を使用した光データリンク

送信用では、レーザドライバ用に内製の GaAs-IC を新規開 発 し た（ 4 1 ）。受 信 モ ジ ュ ー ル の リ タ イ ミ ン グ 方 式 は
155/622Mb/sSDH ソネットの場合と同様に SAW フィルタ方

7.

公衆通信用光データリンクの高速化開発式とし、当初は海外製の SAW フィルタを用いて量産を開始したが、内製のダイアモンド SAW フィルタ（42）も平行し

155Mb/s, 622Mb/s の SDH ／ソネット用光データリンクのて開発を進め、途中からこれに置き換えていった。ダイア

開発と製品化は順調に進み、95 年春に事業部移管し、次のモンド SAW フィルタは温度特性に優れ、図 11 に示すよう

開発は 2.5Gb/s に定めた。このクラスのモジュールは PCMに広温度範囲で良好な受信感度特性を示した。

画像伝送機器対応等のカスタム用としての開発は進めてい受信用 3R-IC には SDH ／ソネット用 3R-IC を共同開発したが（ 33）〜（ 35）、汎用製品としての開発である。問題はマー

た IC メーカと共同開発した。今回は 1 チップ化は必須ではケットは間違い無く存在するが、どのマーケットをどうい無く、①受信データをクロック信号で打ち抜くタイミング

う技術で狙うかということである。結論としては、送信モには調整が必須であったこと、② 155/622Mb/sSDH ソネッ

ジュールは SDH ／ソネットで使った 24 ピンモールドパットの開発でクロックパルス発生回路のノイズの処理で苦し

ケージとし、受信モジュールはさすがに 24 ピンでは実現出

んだことから、クロックパルス発生回路とデータ再生回路−（ 8 ）− 光データリンクの研究開発

を別々にする 2 チップ構成でリタイミング機能を実現する

動（チャープ）の抑制である。当時の技術ではレーザを温方式とした。また、タイミング調整には IC メーカから提案

度調整をするのが常識であるが、常識を捨てよということのプログラマブル位相シフト回路を採用した。受信モであった。この問題の解決には多くの知恵を絞ったが、①ジュールのブロックダイアグラムとチップ構成を図 12 に内製の DFB レーザの光出力が高く、チャープ特性が良かっ示す。2 チップ間の回路配線長でクロックノイズを被るタたこと（45）〜（48）、② 2.5Gb/s 用に設計した内製 GaAs-IC の波

イミングが変化することから、最適受信感度を得るために形特性が素直で、リンギング無く立ち下がり時間も速いもは配線長も詳細に調整する必要があった。これは調整可能のに仕上がっていたこと、③モールド構造という、ベアな 2 チップ構成にしたことが幸いしたとも言えることでチップ実装のドライバ IC とレーザチップ間の配線が短い長あった。しかも、この IC は初回設計で動作するという僥倖

さで結線出来ていること、④モールド構造でありながら、にも恵まれ、96 年秋にはサンプル出荷を果し順調に製品化

パッケージの腹面に調整用抵抗チップを抱かせることで微（44）。図 13 に、受信モジュールの特性例を示す。
を進めた（43）、調整をしたこと等、が相俟って 80km 伝送に耐える送信モ

そのような状況のなか、さる大手ユーザからファイバ波

ジュールを完成させることが出来た。受信モジュールでは

長分散の大きい 1.55μm 帯を使った長距離モジュールの引

高感度化のためにアバランシェフォトダイオード（APD）

き合いがあり、対応の可否を迫られた。その当時の長距離を使う必要があり、精密な温度補償機能を持つバイアス回

モジュールは送信側ではレーザをペルチェ素子を使って温路が必須であったが、小型の回路を長距離化を見越して予度調整をしたものを用いるのが常識であり、無温調のレーめ開発していた。また APD には約 80V の高電圧が必要だが、ザを使って長距離伝送をせよという無謀な要求であった

小型の DC/DC モジュール開発を電源メーカと進めており、が、後に引けない状況でもあり開発をすることとした。問これも含めて、サンプル出荷に成功し量産が始まった。し題は広い温度範囲に渡って、レーザを駆動した時の波長変かし、量産の歩留りは思わしく無く受信モジュールで予想外の温度特性不良を頻発した。原因はバラツキ評価も行った上で中短距離用では問題なく動作したと思われた IC の設計ミスが、波形ゆらぎの大きい長距離用で顕在化したこと

最小受光感度＠BER＝1.0x10-10 (dBm)

-21

-22
25ûC
-23

2

-24

ダイヤモンド
水

1

晶

-25
-50

0

50

100

温度（℃）

図 11

3
(a) Optical Output Waveform

2.5Gb/s モジュール最小受信感度の温度特性(Filtered)

10-3After 59km-SMF transmission
Back to back
10

メイン
アンプ

遅延
調整

D-FF

バッファ

Pin-Amp.（ROSA）

リミット
アンプ

バッファ
Aチップ

バッファ

クロック

受信状態
検知回路

受信検知

10

10

10
10
10

プログラマブル 微分 バッファ
位相シフト回路 回路

-4

受信信号
Bit error ratio

フロント
エンドIC

SAW
フィルタ

10
10
10

Bチップ

-5

-6

-7

-8

-9

-10
-11
-12

-37

-36

-35

-34

-33

-32

(b) Optical input power（dBm）

位相調整端子図 12

2.5Gb/s 受信モジュール ブロックダイアグラム

Receiver sensitivity

図 132.5G 光データリンク特性

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 9 ）−であり、これを修正し順調な量産に入った。このモジュー特性を図 14 に示す。小型化されたが、良好な性能を保持

ルは伝送機器メーカに大好評で光通信バブルの波にも乗りしている。このモジュール形状は更に発展していき、シス

光データリンク事業も大きく発展したが、しばらく後にバテム基板への半田付けを伴わない着脱可能な SFP（Small

ブル崩壊を迎えることになる。

（52）〜（54）に発展していった。現在のFormfactor Pluggable）

2.5Gb/s 以下の伝送速度の光データリンクの多くが公衆通信

8.

用途も含めてこの形状のものになっている。SFP は基本的

さらなる小型化・高速化・高機能化にクロック再生機能（3R）を内蔵していないが、IC 性能の2.5Gb/s の長距離通信用光データリンクの開発と相前後し向上、基板設計技術の向上で公衆通信用途においても 3Rて起こったのが、小型化の動きである。5 章で述べたよう機能は光データリンクに内蔵する必然性は無くなってきてに SC2 芯光コネクタを使った 9 ピン一列タイプが業界標準いた。また、SFP の種類、光送信状態、光受信状態等の状（Multi Source Agreement）となったが、更に小型の LC 型

態監視信号をネットワーク制御側に伝えるために SFP には

光コネクタが開発されたことにより、光データリンクの幅

マイクロプロセッサもしくはそれに順ずる機能を持つ IC をも光コネクタ同等の 13.6mm（0.55inch）にしようというも内蔵することが基本となっている。

のである。ここに至って、一列ピンは構造的に不可能にな

SFP の外観形状を写真 9 に示す。さらに、DWDM（Dense

り、2 列ピン構造の光データリンク開発の開発を進めるこ

Wavelength Division Multiplex）方式の光データリンク（55）、ととなった。写真 8 に示す SFF（Small Form Factor）と言（56）

われる光データリンクである。これの開発に当っては、当（58）。DWDM 用
低消費電流化により、SFP で実現している（57）、

（49）

で開発を

初、光デバイスをも透明樹脂モールドする方式

もレーザ温度安定化用のペルチェ素子の大幅な小型化、

TOSA の概観、構造を図 15 に示す。

始めたが、光デバイスと樹脂モールドとの長期信頼性の問

また、近年 FTTH（Fiber To The Home）システム（59）対応

題が顕在化し、電子回路部は基板上に実装し、従来と同様

等で、ファイバ 1 心での双方向通信が出来る Bi-Directional

（50）、
（51）

の代表的な

の TOSA、ROSA を使う方針とした。SFF

機能が実用化されているが、この機能を内蔵した SFP も開発されている。（写真 10 参照）
SDH ／ソネットの伝送速度規格では 2.5Gb/s の上位規格は 10Gb/s となるが、1990 年代末から、電気多重復号機能

SFF SC2芯型

前方：LC2心光コネクタ
後方：電気入出力用カードエッジコネクタ

写真 8 SFF と SC2 芯型光データリンク
SC2 芯型光データリンクの幅が 1 インチであるのに対し、SFF トランシーバの幅は 0.55 インチと約半分のサイズになる。

写真 9
パルスマスク

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10

-8

10

-9

SFP 外観0km(Acq Limit Test) Waveforms : 500

符号誤り率

2

1

30km伝送後LDサブマウント
サーミスター

ペルチェ素子

-10

10
-11
10
-12
10

3

（a）送信光出力波形
光出力＝＋0.7dBm

-35

LDチップ

PD
-34

-33

-32

-31

-30

-29

-28

光受信強度（dBm）（b）符号誤り率特性

図 14

長距離伝送用 2.5Gb/sSFF の特性−（ 10 ）− 光データリンクの研究開発

図 15

SFP 対応 DWDM 用 TOSA（左）と内部実装図（右）たモジュールも開発されている（67）。ブロックダイアグラム
を図 17 に示す。

写真 10

一芯双方向 SFP と BOSA

（Bi-directional Optical Sub-Assembly）
X2

XFP

（60）

を内蔵した 10Gb/s 光データリンクの需要が急増し、当
写真 11社もこのモジュールの開発を始めた。更に小型化／低消費10Gb/s プラガブル光データリンク外観

電力化を狙って、米国シリコンバレーに設立した ICS（Innovation Core SEI）社を軸に超小型の XFP（10G small（61）〜（63）の開発を進めた。この企画はForm-factor Pluggable）

X2トランシーバ

当社／ ICS の他、JDSU、Tyco 等有力メーカ 10 社がファウ
汎用プリント基板
最長50cmンダーになり規格制定を進めたものである。現在では 10G
用光データリンクの主流になりつつある。ブロックダイア
グラムを図 16 に示す。10Gb/s という高速伝送でありながら、システム基板との電気インタフェースはカードエッジ
コネクタ型になっているため、電気信号波形を整形する機

光受信部

LAN PHY部

光受信サブアセンブリ

EDC

ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク
機
器
本
体

AGC TIAPIN-PD

差動電気出力信号（3.125Gbit/sec X4）

高速光入力信号（10Gbit/sec）

光送信部
差動電気入力信号（3.125Gbit/sec X4）

能（Signal Conditioner）を内蔵している。

MDIOシリアル通信（65）が多く使われている。
10G イーサネット用には X2（64）、

LAN-PHY

光送信サブアセンブリ

LD
ドライバICLD

ドライバIC
制御回路

バイアス
回路

モニタ
PD

高速光出力信号（10Gbit/sec）

X2 の電気入出力は 3.125Gb/s × 4 レーンのパラレルインタ
マイクロコントローラ

フェース（XAUI）であり、X2 内部で 10.3125Gb/s のシリ

制御部

アル信号に変換し光通信をするという機能を持っている。
XFP、 X2 の 外 観 形 状 を 写 真 11 に 示 す 。 XFP, X2 共 に
10Gb/s という高速モジュールでありながら小型化されてお図 17

ファイバ分散補償機能内蔵 X2 ブロックダイアグラム

光受信部に EDC（Electronic Dispersion Compensator）を搭載している。

り、伝送性能の確保、放熱技術、電磁放射ノイズの抑制には極めて高い技術力を必要とし、当社での開発においてもシミュレーションと試作実測を繰り返して所要の性能を確。また、小型のモジュールでありながら、光保している（66）

9.

今

後

ファイバの波長分散特性による伝送帯域不足を電子的に補光データリンクは伝送速度 10Gb/s にまで高速化され、更償する機能（Electronic Dispersion Compensation）を内蔵しにファイバの波長分散による伝送帯域制限を補償する機能までも内蔵した製品が開発されている。また、DWDM においても、200km 以上にも及ぶ長距離伝送が可能な光デー
タリンクが SFP の形状で実用化されている。これらの製品

VCC3

3.3V
SignalConditioner

TDP/TDNLD
DriverTOSA

DAC

Bias Control
Circuit

P_DOWN /RSTTX_DIS
INTb
SDA
SCL
MOD_NR
MOD-DESEL
RX_LOSREFCLKP
REFCLKN
RDP/RDN
MOD_Abs

I2C Data
I2C ClockuPC

OpticalOutputではマイクロプロセッサを内蔵して、レーザの最適動作の制御、光レベル監視等の機能も装備しており、インテリ
ジェント化が進んでいる。更なる高速化も IEEE802.3

Tx Power,Tx Bias

Higher Speed Study Group で審議されており、近い将来、

Rx Power, LOS

40G、100G 伝送用の光データリンクが開発されるであろう。

DCP
100ohmSignal Conditioner
with LIA

Current
Monitor
ROSA
with TIA

40G、100G 共、ファイバの波長分散、PMD（Polarization
Optical
Input

Mode Dispersion）等の影響の問題があり、4 波程度の波長多重技術を用いることが検討されており、これを内蔵した複合化高機能モジュールとなる。また、DWDM システム

図 16

XFP

ブロックダイアグラム

では、送信モジュールの波長を可変にしてネットワークを

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 11 ）−フレキシブルなもの、保守性に優れたものにするという要

データリンクの専業メーカはほとんど無く、光伝送部門が求もある。インターネットに代表される情報化社会はます

自前で光通信用モジュールを作っていた。当社は光デバイ

ます高度化されると思われるが、その進展を支えるキーコ

スを直営牧場で生産し、ユーザにはそれなりの評判のレス

ンポーネントとして光データリンクは重要性を増していく

トランとしていくつかの星をもらってきた。あるいは化合であろう。また、更なる低消費電力化は地球温暖化対策等

物デバイス開発が光データリンク開発に先行していたこととの関係で大きな開発課題になるだろう。そのためには、からは牧場が直営レストランを経営しているとも言えるが。

非常に低消費電力化が期待出来る表面発光レーザ（VCSEL）

いずれにせよ、このレストランは今後も素材の鮮度を見極とその低消費電流駆動技術、最先端の高速電子デバイス技

める眼力、よりよい食材であるデバイスを開発していき、術を取り入れた低消費電力化を図ること等が重要となるとおいしく料理する腕を持ち続けて更なる発展をしていくと思われる。

確信している。

10.

結言・Ethernet（イーサネット）は富士ゼロックス株式会社の登録商標です。

光データリンク開発について記述したが、やはり、技術には旬があることを感じる。光データリンクに応用した技
術は、短波長 LED ／長波長 LED ／長波長 LD であったり、

参

ハイブリッド IC であったり、モールド技術であったり、専（1）西江、「学生のページ／光データリンクモジュール」、電子情報通信
学会誌、p.1267（1998）

用アナログ IC もシリコンバイポーラ、CMOS、GaAs 等であったりしたが、その時々で最先端でありながら実用可能な技術を選択して来た。光データリンクの機能も、以前の公衆通信用途ではクロック再生機能（3R）が必須であったが、IC 性能の向上、基板設計技術の向上で光データリンクに内蔵する必要は無くなった。その一方で 10Gb/s 伝送では、分散補償等の高度な機能を実現するために 3R 機能が光
データリンクには必要となっている。また、以前はレーザ
トリミングによって性能ばらつきを補正していたが、現在では、内蔵したマイクロプロセッサによって極めて高精度に、調整されるようになっている。これらの個々の技術全てが最先端技術というわけでは無いが、光データリンク開発にはそれを支える多くの旬の技術が必要である。
光データリンク開発は光伝送技術開発という先端技術の一部ではあるが、伝送システム技術者が光伝送固有のややこしい技術を意識すること無く、安心して使えるようにするということが最大の使命であると考え研究開発を進めてきた。
筆者は光データリンク事業はレストランと同じようなものだと光データリンクを担当する人達に言ってきた。すな
わち、光デバイス、電子デバイス、電子部品、光学部品、機構部品等を上手に料理して、食べる人（光データリンク
ユーザ）においしい料理として提供することが必要ということである。そのためには、通常では入手出来ない良質の食材（光デバイス等）を直営牧場で生産する必要もあるだ
ろうし、契約農場で特製の食材（カスタム IC 等）を作ってもらい、門外不出のレシピで料理することで、評判のレス
トランになることが事業として重要であり、ユーザ（光伝送システムメーカ）に応えることである。少なくともユー
ザの家庭料理よりおいしい料理である必要がある。さもな
くば、ユーザが自ら種々の素材を調達して自炊をすることになる。実際、光伝送システムが実用化された当初は光−（ 12 ）− 光データリンクの研究開発

考

文

献

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執筆者 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------西江

光 昭 ：フェロー
材料技術研究開発本部 技師長
解析技術研究 センター長---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------（47）Atsushi Matsumura, et al ： Wide Temperature（-40 ℃〜
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CWDM Application OFC（2005）（48）松村他、「CWDM 用 DFB レーザの開発
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SEI テクニカルレビュー

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 13 ）−