第 200 号・2022 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

情報通信

次世代データセンター向け
100GBaud 導波路型受光素子

100G Baud Waveguide Photodetectors for Next-Generation Data Centers＊海老原

Koji Ebihara

幸司

岡本悟

Satoru Okamoto

Takuya Okimoto

沖本拓也

Kouichiro Yamazaki

山崎功一朗

芦澤建

米田昌博

Ken Ashizawa 		Yoshihiro Yoneda

次世代（800Gbit/s）データセンターネットワークを構成する強度変調 - 直接検波用受信器では、変調速度が50GBaud から100GBaud 級への超高速化の期待が高まっている。本報告では、偏波無依存型スポットサイズ変換器を一体集積した InP 系導波路型受光素子による広帯域・高感度化の成果について報告するとともに、APD への応用についても述べる。

Optical receivers with intensity-modulation direct detection strongly require ultra-high-speed and high-responsivity
performance upto 100 GBaudclass toward the next-generation 800 Gbit/s data center networks. This paper demonstrates
wide-bandwidth and high-responsivity performance of the InP-based waveguide photodetector integrated with the spot
size converter having no polarization dependence. In addition, we also introduce the waveguide avalanche photodiodes.
キーワード：強度変調 - 直接検波用受信器、導波路型受光素子、偏波無依存型スポットサイズ変換器、100GBaud、データセンター

1.

緒

言

れており、搭載される受光素子の特性には、60GHz 以上の

5G モバイル通信網の拡大や動画配信・クラウドサービスの市場成長により、通信トラフィックは年々増大し続けてい3dB 帯域幅と0.6A/W 以上の受光感度が必要とされ、広帯域・高感度の両立が要求されている。

る。これらを背景にデータセンター（DC）ネットワークを構

一般に受光素子の構造には、光吸収層への入射方向から成する光伝送装置のインターフェースやスイッチ／ルーター

面入射型と側面入射型の2種類の構造がある。面入射型は、においては、400Gbit/s 光トランシーバによる12.8Tbit/s

大きな円形の受光部を形成することで吸収層への高い光結級 DC 内通信の導入が本格化している。一方で、早くも更合効率が容易に得られる反面、フォトダイオード（PD）なるデータ伝送の高速大容量化のニーズが高まっており、の接合容量が増加する。このことから3dB 帯域幅と受光感25.6Tbit/s も し く は51.2Tbit/s 級 DC 内 通 信 を 目 指 す

度特性の間にはトレードオフの関係が生じる。一方で側面」が結成され、800Gbit/s 光ト

入射型は、膜厚方向からの光入射のため、吸収層との高いランシーバ（800G Pluggable Transceiver）が検討され光結合効率を得ることが難しい反面、光入射の方向と発生ている。

キャリアの走行方向を直交させることができるため3dB 帯「800G Pluggable MSA※1

写 真1に800G Pluggable Transceiver 外 観 例 と し て域幅と受光感度を独立に設計することが可能となる。当社

QSFP-DD ※2 形 態 を 示 す。200Gbit/s ×4チ ャ ン ネ ル 構

では、広帯域・高感度の両立を目指した側面入射型の受光の素子として、これまでにコヒーレント通信※6用受信器向け

PAM4 信号受信において最小受信感度 -6.8dBmが求めら（2）をにバットジョイント構造を有する導波路型 pin-PD（1）、成の FR4規格※3用受信器では、変調速度112GBaud※5※4実用化している。
図1にバットジョイント導波路型 pin-PD の構造断面図を示す。InP 系モノリシック集積要素技術（3）を用いて側面入射部に光導波路を集積しており、導波路コア層と PD 吸収層を直接接合することにより、吸収層との高い光結合効率を実現し、広周波数応答帯域と高受光感度の両立を可能としている。今回、このバットジョイント導波路型 pin-PD 技術を次世代 DC 向け受光素子にも展開し、800Gbit/s 光トランシーバに搭載可能な広周波数応答帯域・高受光感度特性を有する100GBaud 導波路型受光素子を実現したので、
写真1 800G Pluggable Transceiver 外観例（QSFP-DD 58.26×18.35×8.5mm）

これを解説する。また光電流の増幅機能を有するアバランシェフォトダイオード（APD）への応用についても述べる。
次世代データセンター向け 100GBaud 導波路型受光素子

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Butt-jointinterface

は、縦横に非対称な積層構造側面からの受光であるため、Waveguide

偏波方向が変動すると等価屈折率が変化し、受光感度が変PD動する。そこで当社では、IM-DD 方式を用いる次世代 DC

p-electrode

向け導波路型受光素子の入力導波路に対し、偏波方向の変p-GaInAs
i-InP
i-GaInAsP

動による受光感度特性の変動を抑えるべく偏波無依存型ス

p-InP

Absorption
lengthi-GaInAs

Signal lightn--GaInAsP

Carrier Transit
lengthn-electroden-InP※8の集積をおこなっている。
ポットサイズ変換器（SSC）

図3に3次元ビーム伝搬法による SSC 導波路の伝搬シミュ
レーション結果に示す。光学系の実装の容易さから SSC 導波路の入射面（入口側）の光のモードフィールド径は3µmとしている。入射面のモードフィールドは、円形として対S.I.-InP sub.

称性を高くしており、一方で PD 構造側面に出射される出口側のモードフィールドは、PD 吸収層の膜厚形状に合わ

図1

バットジョイント導波路型 pin-PD 構造断面図せた形としている。SSC 導波路の透過率は90％以上とし、偏波依存性（TE/TM 比）は1％以下に抑えている。

2.

偏波無依存型スポットサイズ変換器の集積

光搬送波の振幅や位相変調を利用するコヒーレント検波方式では、PD だけでは変調信号を直接検波できないので、局部発振光と信号光との干渉により PD が直接検波可能な強度信号に変換・分離する“90°ハイブリッド”と呼ばれる光機能導波路を導波路型 pin-PD の前段に配置する必要がある。このため信号光の偏波方向が保持され、入射導波(b)(a)路は、光の偏波方向※7が一定であることを前提とした設計となっている。一方で、DC ネットワークに広く用いられる強度変調 - 直接検波（IM-DD）方式（4）では、信号光の偏SSC WaveguidePDp-electrode

波方向の保持は行われない。このため PD に入射される信号p-GaInAs

光の偏波方向は一定とならずに変動している。図2に面入射i-InP

p-InP

i-GaInAsP

型と側面入射型の光吸収層への入射形態と偏波方向の関係

Signal lightを示す。（a）の面入射型では、平面での受光であるため、

i-GaInAs
n--GaInAsP

n-electroden-InP

偏波方向の変動により受光感度特性の変動は発生しない。

S.I.-InP sub.

一方で広帯域・高感度の両立に有利な（b）の側面入射型でOptical Intensity [%]100

TM8060
TE40

TM

2000TE

100200300

Propagation Distance [µm]図3 SSC 導波路の（a）入口側および（b）出口側での光のモードフィールド形状と伝搬方向の光強度（入口強度で規格化）

TM3.

TE
図2

面型入射型（a）と側面入射（b）の光吸収層への入射形態と偏波方向の関係

偏波無依存型スポットサイズ変換器を集積した導波路型受光素子の特性

バットジョイント再成長技術を用いて偏波無依存 SSC を集積した導波路型受光素子を写真2に示す。受光素子のサ
次世代データセンター向け 100GBaud 導波路型受光素子

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イズは500µm ×550µm としており、従来の受光素子と同程度のサイズとしている。電極パッドの配列・形状につい4. アバランシェフォトダイオード（APD）へ応用ては後段の TIA（Transimpedance Amplifier） -IC とのpin-PDでは受信感度が得られない伝送距離10km 以上へにも対応での対応については、消費電力抑制の観点から光電流の増幅※9接続性を考慮しており、フリップチップ実装※10

きるように電極パッドをピラー構造としている。

機能を有する APD への期待が高い。広帯域化に加えて高線

図4に作製した導波路型受光素子の受光感度の偏波依存形性に有利なバットジョイント導波路型 pin-PD 技術を応用性を示す。偏波による受光感度の変動は1％以下に抑えらし、導波路型受光素子（APD）を実現している（4）。図6にれており、受光感度は0.77 A/W 以上が得られている。ま

導波路型受光素子（APD）の構造断面図を示す。

た、図5に導波路型受光素子の周波数特性を示す。pin-PD
接合容量の低減、発生キャリアの走行時間短縮により、60GHz 以上の3dB 帯域が得られている。次世代 DC 向け

Butt-joint
interface

100GBaud 受信器に求められる広周波数応答帯域・高受Waveguide

光感度特性を実現できていることを確認した。

PD

p-electrodep-GaInAs
i-InP

p-InP
InP avalanche layer

i-GaInAsP

Signal light

Field control layer

i-GaInAs
n--GaInAsP

n-electroden-InP
S.I.-InP sub.

図6Responsivity [A/W]

写真2バットジョイント導波路型受光素子（APD）の構造断面図

100GBaud 導波路型受光素子（500µm×550µm）

InP 系モノリシック集積要素技術のバットジョイント再成

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10長により、i-GaInAsP をコア層とする入射導波路と InP（厚さ100nm 以下）を増倍層とする APD をモノリシックに集積している。導波路コア層を APD 吸収層（i-GaInAs）側面へ直接結合させた本構造は、吸収層における高い量子効率を維持しながら、pn 接合領域の小型化による CR 帯域の拡大と、吸収層の薄層化によるキャリア走行帯域の拡大に

λ=1.31µm
0306090120150180polarization [°]図4よって高速化を図っている。また薄層化した吸収層内の電界強度を増加させ、高入力条件下での空間電荷効果やヘテロ界面トラップを抑えることによって線形性を高めている。
導波路型受光素子（APD）の暗電流特性と1.31µm 波長導波路型受光素子の偏波依存性での増倍特性をそれぞれ図7と図8に示す。ブレークダウ
ン電圧は21.6V、ブレークダウン電圧の90％の電圧値でOE response [dB]6の暗電流は5nA 以下と低い暗電流特性が得られている。

3

また受光感度は、1.31µm 波長における増倍率1において00.70A/W であり、最大増倍率20のエッジブレークダウン-3のない良好な増倍特性が得られている。

-6-9-12-15020406080

100Frequency [GHz]図5

導波路型受光素子の周波数特性
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1.E-03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.E-04※1

1.E-05Current [A]800G Pluggable MSA

Multi-Source Agreement：2019年9月に開発ベンダー10社にて結成。次世代データセンター通信用光トランシーバ

1.E-06仕様の標準化により互換性のある共通仕様の製品を各社が1.E-07

開発・製品化するための取り決め（契約）。

1.E-08※2

1.E-09Quad Small Form Factor Pluggable Double Density:

1.E-10

挿抜可能（プラガブル）
光トランシーバの業界標準のひとつ。

1.E-110510152025

Reverse voltage [V]
図7

QSFP-DD

導波路型受光素子 (APD) の暗電流特性

伝送速度200Gbit/s、4波長の信号光を用いて800Gbit/sを実現する。
※3FR4規格

伝送距離2km までの光トランシーバの標準化規格。4波長の信号光を用いて分割多重伝送をおこなう。

Multiplication factor

100※4Baud（ボー）

10変調速度の単位。搬送波に対する1秒あたりの変調回数。

1※5PAM44-level Pulse Amplitude Modulation：1シンボルあたり0.12ビットの情報を伝送可能な、4値パルス振幅変調方式。

0.010.001
0Input power: 10µW

※6=1.31µm

光の振幅（強度）と位相を変調させて伝送する通信方式。

510152025
Reverse bias voltage [V]

図８ 導波路型受光素子 (APD) の増倍特性

コヒーレント通信

通常2つの固定された偏波光が伝送に使われる。
※7

光の偏波方向光の電界（磁界）の振幅方向。電界成分が入射面に対し横向きである偏波方向を TE 波、電界成分が入射面に対し縦向きである偏波方向を TM 波という。

5.

結言

コヒーレント通用受信器向けに実用化されたバットジョ※8スポットサイズ変換器

光のビーム径を変換する機能を持つ導波路構造。

イント構造を有する導波路型 pin-PD 技術をベースとして、直接検波に不可欠な偏波無依存型のスポットサイズ変※9換器を一体集積し、100GBd 受信器に求められる PD 帯域

Transimpedance Amplifier：受光電流を電圧に変換する（>60GHz）と受光感度（>0.7A/W）の両立に成功した。

アンプ。受光素子の後段に置かれる。

TIA

また光電流の増幅機能を有する APD への応用についても示した。

※10

フリップチップ実装

半導体チップの上面・下面を反転させて外部回路へ接続する実装方法。

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参 考 文 献（1）	T. Okimoto, H. Yagi, K. Ebihara, K. Yamazaki, S. Okamoto,
Y. Ohkura, K. Horino, K. Ashizawa, M. Ekawa, and Y. Yoneda,“InP-based PIC integrated with Butt-joint Coupled Waveguide
p-i-n PDs for 100GBaud Coherent Networks,”in Proceedingsof OFC2021, F2C.6（2021）（2）	T. Okimoto, H. Yagi, K. Ebihara, K. Yamazaki, S. Okamoto,
Y. Ohkura, K. Horino, M. Kurokawa, M. Takechi, M. Ekawa,and Y. Yoneda,“InP-based Butt-joint Coupled Waveguide
Photodiodes Integrated with Various Functions for 100 GBaud
Coherent Detection,”IEEE JSTQE, vol.22（Sep. 2021）（3）	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）（4）	Y. Yoneda, T. Okimoto, K. Ashizawa, K. Ebihara, S. Okamoto,K. Horino, H. Yagi and M. Ekawa“InP-Based Waveguide
Photodetectors for IMDD/Coherent Transmission Applications,”
IECE Technical Report, no.LQE2020-5（Aug. 2020）（5）	T. Okimoto, H. Yagi, S. Okamoto, K. Sakurai, K. Ebihara,
K. Yamazaki, Y. Nishimoto, K. Horino, T. Takeuchi, Y. Yamasaki,
M. Ekawa, and Y. Yoneda,“High Linearity and Uniform
Characteristics of InP-based 8-CH Waveguide Avalanche
Photodiode Array for 400 GbE.”in Proceedings of OFC2020,
Th3C.2（2020）

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
海 老 原 幸 司＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱沖本拓 也 ：伝送デバイス研究所

山 崎 功 一 朗 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱岡本

悟 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱芦澤

建 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

米田

昌 博 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主幹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

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