情報通信

デジタルコヒーレント光通信用
224Gbit/s小型多値変調器

Compact 224-Gbit/s Modulator Modules for Digital Coherent OpticalCommunication Systems

関守弘＊

Morihiro Seki

板橋直樹

Naoki Itabashi

河野直哉

Naoya Kono

巽

北村崇光

山路和宏

Takamitsu Kitamura

泰三

Taizo Tatsumi

Kazuhiro Yamaji

光通信伝送量の飛躍的な増大に対応すべく、多値変調方式を活用したデジタルコヒーレント光伝送技術が注目され、既に幹線系への導入が開始されている。今後のメトロ系への展開に向けては、光通信システム機器への高密度実装のために各光部品の小型化が望まれている。我々は、InP系材料を用いた多値変調素子の開発、リニアドライバICの開発を行った。更に、多値変調素子、4個のリニアドライバIC、偏波多重光学部品を内蔵した多値変調器サイズを34.0×16.5×6.0mm3 にまで小型化し、224Gbit/s DP-16QAM変調動作に向けてLiNbO3 系変調器と同等の特性を実証した。

Digital coherent technology with multi-level modulation formats is an attractive solution to satisfy the rapid increase in
optical traffic demand and has already been adopted in ultra-long haul systems. In the next generation, the application
area will be expanded to metro systems, and smaller-sized, lower-power optical components are expected in order torealize high port density. We have developed InP-based modulators and linear driver ICs, which enabled the modulator
module size as small as 34.0 × 16.5 × 6.0 mm 3. We demonstrated that a 224-Gbit/s DP-16QAM modulator module
including all of an InP-based modulator, four linear driver ICs, and polarization multiplexing micro-optics has comparable
performance to LiNbO3-based modulators.
キーワード：デジタルコヒーレント伝送、InP、多値変調器、リニアドライバ、DP-16QAM

1.

緒言

2.

映像配信サービスの拡充・高画質化、モバイル端末の普及など、通信トラフィックの増大は止まる所を知らない。その需要を満足する次世代の長距離大容量光伝送システムとして、多値変調方式を活用したデジタルコヒーレント光伝送技

素子特性

2−1

多値変調素子（1）多値変調素子設計
図1（a）に多値変調素子の上面写真、図1（b）に多値変調素子変調部の断面模式図を示す。

術が注目され、既に幹線系へは1波あたり100Gbit/sのシス

1素子に4個のMach-Zehnder（MZ）変調器を集積していテム導入が開始されている。今後、幹線系からメトロ系へのる。変調部長は3mmである。RF配線面積削減のためS-G-S

展開に向けては、光トランシーバの小型化によるポート密度差動電極構造とし、特性インピーダンスは差動90Ωで設計の向上ならびにポートあたりの伝送容量向上の要求が強いした。

が、その実現には、小型低消費電力の変調器および受信器の開発が必須である（1）。
当社では、InP系の光素子を用いることで小型化を実現し

RF Feed Lines

た変調器ならびに受信器にて128Gbit/s DP-QPSK※1 動作Y/Q（3）を実証している（2）、。本稿では、更なる伝送容量向上に向Y/I

けて、InP系変調素子とリニアドライバICを用いた小型多値X/Q変調器を作製し、224Gbit/s DP-16QAM※2 動作に向けて

X/I

Modulator Secon

3mm

LiNbO3 系変調器と同等の特性を実証 した取り組みについ（4）て報告する。

Phase Adjustment Secon䠄㼍䠅ୖ㠃෗┿
Au Electrode
Undoped InP Sp-InP
AlGaInAsGMQWn-InPS
BCB

Semi-Insulating InP Substrate䠄㼎䠅ኚㄪ㒊᩿㠃ᶍᘧᅗ
図1

多値変調素子2015 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 186 号

55

Normalized Optical Loss [dB]

光導波路構造は、幅1.6µm、深さ3µmのディープリッジ光導波路構造を採用している 。コア部への光閉じ込めが強（5）いため光導波路曲げ半径を小さく出来る点、半導体部体積が少なくなることからS-G間の容量を低減出来る点が利点である。コア層には、アンドープのAlGaInAs多重量子井戸構造を用いることで、電圧印加時の光損失増加に対する変調効率を高めている。また配線形成を行うためBenzocyclobutene（BCB）樹脂にて光導波路を埋め込んでいる。
（2）多値変調素子特性評価結果

6Wavelength
1530 nm
1550 nm1570 nm

543210-10

図2に光導波路幅に対する光導波損失の評価結果を示

246810 12 14 16

Reverse Bias Voltage [V]C-band帯で0.25dB/mm以下の光導波損失であり、光吸収

図3

電圧印加時の光損失増加特性評価結果

Normalized Optical Power [dB]す。1.6µm幅 の 光 導 波 路 に お い て 波 長1530-1570nmの0および光導波路側面での散乱損失は十分に抑制されていると

Propagation Loss [dB/mm]

考えられる。

0.5:DYHOHQJWKQP
QP
QP

0.4
0.3
0.2
0.1-5-10
ER > 25 dB-15-20
Wavelength
1570 nm-25-3091.21.41.61.82
Waveguide Width [μm]図42.2光導波損失の光導波路幅依存性評価結果

1213果を示す。波長1570nm、逆バイアス電圧11Vでの光損失増加は1dB以下である。
図4に典型的なDC消光特性評価結果を示す。逆バイアス
電圧11V、波長1570nmで25dB以上の消光比（ER）が得ら

45Ω

Output45Ω
Coplanar line（1）リニアドライバIC設計

Distributed linear
amplifier unit cells
50Ω

Input50Ω

れている。
リニアドライバICDC消光特性評価結果

Differential linear driver IC
Vcc for output
Output differential 90Ω transmission circuit

図3に逆バイアス電圧印加時における光損失増加の評価結2−211Reverse Bias Voltage [V]0

図210

図5

リニアドライバICブロック図

図5にリニアドライバICのブロック図を示す。高速動作とドライバIC入出力での低い反射損失を実現するため、Traveling（6）
wave amplifier（TWA）を用いている。本TWAは、6つ補償し、E/O応答の周波数特性改善を図っている。のリニア増幅ユニットセルとそれを並列接続するコプレーナ

ドライバICの出力振幅は差動2.5Vppであるが、本電圧駆ラインで構成される。TWA 1段構成を用いることで、線形動にて1.0Vπ変調となるように2−1項の多値変調素子は調性と低消費電力を両立させている。

整を行っている。この場合、2.0Vπ変調時に比べて変調器またドライバICの周波数特性に周波数ピーキングを持たの光出力が3dB低下するが、ドライバICの低消費電力化、せることで、変調器内のRF線路における高周波信号損失をDCバイアス用プルアップインダクタの削除による実装面積56

デジタルコヒーレント光通信用224Gbit/s小型多値変調器

の削減、光出力の非線形性抑制が可能といった利点がある。
ドライバIC素子サイズは1chあたり2.1×1.1mm2、実装面積は4chで2.1×9.0mm2 である。なおドライバICは、
InP double heterojunction bipolar transistor（DHBT）プロセスを用いて設計している。トランジスタのFtとFmaxは、それぞれ150GHzと200GHzである。
（2）リニアドライバIC特性評価結果

写真1

多値変調器外観写真

図6（a）にS-parameterの評価結果を示す。Sdd11およびSdd22は、周波数50GHz以下において-10dB以下である。
Sdd21の-3dB帯域は45GHzであり、3GHzから28GHzにPhase
Modulator

かけての2dB程度の緩やかな周波数ピーキングにより、変Phase
Adjuster

Polarization
RotatorOpticalInput

調器内のRF線路における高周波信号損失の補償を行う。
図6（b）に1GHz Sin波の差動入力に対する全高調波歪（THD）の評価結果を示す。差動出力振幅2.5VppにおいてTHDは2.5％程度である。

RF Input
Interface

す。なおリニアドライバICへの入力振幅は差動650mVpp

PBC

π/2x

図6（c）に28Gbaudでの4値振幅変調時のアイパターンを示

PR

π/2Optical
Output

TEC : Thermoelectric Cooler

4Differential
Linear Driver ICであり、これはDigital to analog converter（DAC）で直接図7

Polarization Beam
Combinerx2

多値変調器ブロック図駆動可能な入力振幅である。本アイパターンの出力振幅は差動2.5Vppであり、良好なアイパターンが確認された。

3.

E/O応答に窪みが発生しているが、本影響を除けば、E/O多値変調器特性

写真1に作製した多値変調器の外観写真、図7に多値変調器のブロック図を示す。多値変調器内には、は光信号対雑音比（OSNR）に対するBack to Back評価での② 4個のリニアドライバIC符号誤り率（BER）特性である。図9（c）と（d）はSP-16QAM③ 偏波多重用のための光学部品

変調における信号処理後のコンスタレーション※3 である。本

④ ①および③を同一温度に保つためのTECを内蔵している。また実装での小型化を実現するために、光の入出力ファイバを同一面に配置した他、RF信号の入力を反対面に配置した。多値変調器サイズとして、34.0×16.5×6.0mm までの小型化を達成している。
3

図8に小信号での（a）E/O応答および（b）Sdd11の評価結果を示す。17.5GHzと21GHzに、信号入力部のインピーダンスミスマッチによるSdd11の増大があり、同じ周波数でコヒーレントレシーバで受信し、50GS/sのオシロスコープを用いてオフライン処理を行っている。また理論値（7）およびLiNbO3 系変調器（-3dB帯域は22GHz以上）を同一評価系で評価した結果も図9（a）（b）にプロットしている。これらの評
価結果では、今回開発した多値変調器とLiNbO3 系変調器とのBER特性の差は小さく、またBER＝10-3における理論値との乖離は14Gbaudで2.8dB、28Gbaudで5.6dBであった。

10.0-1010-156GG

6-20-256GG

4-30

2THD of 1GHz [%]128

評価に使用したレーザ光源の線幅はおよそ500kHzであり、-5
Sdd11, Sdd22 [dB]

Sdd21 [dB]

06GG

14

図9に14Gbaudおよび28GbaudでのSingle-polarization（SP）-16QAM動作時の評価結果を示す。図9（a）および（b）① 4個のMZ変調器を集積したInP系多値変調素子

16応答の-3dB帯域は20GHz程度である。

7.5

2.5 Vpp
Differential

5.0
2.5-350-40Frequency [GHz]0.00.0䠄a䠅 S-Parameter

0.5
1.0
1.5
2.0
2.53.0㻰㼕㼒㼒㼑㼞㼑㼚㼠㼕㼍㼘 㻻㼡㼠㼜㼡㼠㻌㼂㼛㼘㼠㼍㼓㼑㻌㼇㼂㼜㼜㼉㻔㼏㼛㼚㼢㼑㼞㼠㼑㼐㻌㼠㼛㻌㻥㻜㻌㼛㼔㼙㻌㼘㼛㼍㼐㻕䠄b䠅 1 GHz Sin Ἴᕪືධຊ᫬䛾 THD

図63.5

䠄c䠅 PRBS231-1, 28Gbaud, 4 ್᣺ᖜኚㄪ䛻䛚䛡䜛ᕪື㟁Ẽฟຊ䜰䜲䝟䝍䞊䞁

リニアドライバIC特性評価結果

2015 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 186 号

57

0Sdd11 [dB]

E/O Response [dB]

3-3
XIXQ
YI
YQ

-6-9

0LVPDWFKORVV-12㻜

㻡㻝㻜

㻝㻡

㻞㻜

㻞㻡

0LVPDWFKORVV

0-5-10-15-20-25-30-35-40

XIXQ
YI
YQ

㻜

Frequency [GHz]㻡㻝㻜䠄㼍䠅 㻱㻛㻻 ᛂ⟅

図8㻞㻜㻞㻡䠄㼎䠅 㻿㼐㼐㻝㻝

多値変調器の小信号周波数応答評価結果

10-2
Bit Error Rate㻝㻡

Frequency [GHz]14G SP-16QAM theory
14G SP-16QAM (LiNbO3)
14G SP-16QAM (This work)

G%

10-3

10-4
10-510152025
OSNR [dB/0.1nm]

3035㻔㼏㻕㻌㻌㻝㻠㻳㼎㼍㼡㼐䚸㻻㻿㻺㻾㻞㻞㼐㻮䛻䛚䛡䜛䚷䚷㻌䝁䞁䝇䝍䝺䞊䝅䝵䞁䚷䠄㼍䠅㻝㻠㻳㼎㼍㼡㼐䛻䛚䛡䜛㻮㻱㻾䛾㻻㻿㻺㻾౫Ꮡᛶ

Bit Error Rate

10-2

28G SP-16QAM theory
28G SP-16QAM (LiNbO3)
28G SP-16QAM (This work)

G%

10-3

10-4
10-5
10152025
OSNR [dB/0.1nm]

3035䠄㼐䠅㻌㻞㻤㻳㼎㼍㼡㼐䚸㻻㻿㻺㻾㻟㻜㼐㻮䛻䛚䛡䜛䚷䚷㻌䝁䞁䝇䝍䝺䞊䝅䝵䞁䚷䠄㼎䠅㻞㻤㻳㼎㼍㼡㼐䛻䛚䛡䜛㻮㻱㻾䛾㻻㻿㻺㻾౫Ꮡᛶ

図9

多値変調器SP-16QAM伝送特性評価結果

なお消費電力は、4個のドライバIC合計で2.4W以下、TEC

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

部で0.8W以下であり、変調器の消費電力は3.2W以下で※1

DP-QPSKあった。

Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying: QPSK
は四位相偏移変調。90°間隔でずれた4位相を組み合わせる

4.

結言

InP系材料を用いた小型多値変調素子の開発、およびInP-

ことで、一度に2 bitの情報を伝送する通信方式。更に、直交する二偏波を用いる（DP）ことで、同時に2つのQPSK信号を送り、計4 bitの情報伝送が可能となる。

DHBTプロセスを用いた低消費電力で小実装面積のリニアドライバICの開発を行った。また多値変調素子、4個のリニ※2アドライバIC、偏波多重光学部品を内蔵した多値変調器サ

16 Quadrature Amplitude Modulation: QAMは直交振幅

イズを34.0×16.5×6.0mm3 にまで小型化し、224Gbit/s変調。90°間隔でずれた4位相に加え、2つの振幅を組み合

DP-16QAM変調動作に向けてLiNbO3 系変調器と同等の特わせることで、一度に16値すなわち4bitの情報を伝送する性を実証した。

通信方式。

58

デジタルコヒーレント光通信用224Gbit/s小型多値変調器

16QAM

※3

コンスタレーション

伝送されるデジタル信号の位相と振幅の関係を複素平面上に者 -----------------------------------------------------------------------------

執筆

関守 弘 ： 伝送デバイス研究所

主席

河野直 哉 ：伝送デバイス研究所
博士（情報科学）主査

北村

崇 光 ：伝送デバイス研究所

板橋直 樹 ：伝送デバイス研究所

巽

泰 三 ：伝送デバイス研究所

主席

山路

和 宏 ：伝送デバイス研究所

主席

＊

示した図。

参 考 文 献（1） W. Forysiak,“Progress in InP-based Photonic Components andSub-systems for Digital Coherent Systems at 100Gbit/s andbeyond,”ECOC13, Mo.3.C.2（2013）（2） N. Kono, T. Kitamura, H. Yagi, N. Itabashi, T. Tatsumi, Y. Yamauchi,K. Fujii, K. Horino, S. Yamanaka, K. Tanaka, K. Yamaji, C. Fukuda,
and H. Shoji,“Compact and Low Power DP-QPSK Modulator
Module with InP-Based Modulator and Driver ICs,”OFC/NFOEC2013, OW1G.2.
（3） H. Yagi, N. Inoue, Y. Onishi, R. Masuyama, T. Katsuyama, T. Kikuchi,
Y. Yoneda, and H. Shoji,“High-Efficient InP-Based Balanced
Photodiodes Integrated with 90°Hybrid MMI for Compact 100 Gb/s
Coherent Receiver," OFC/NFOEC2013, OW3J.5.
（4） T. Tatsumi, N. Itabashi, T. Ikagawa, N. Kono, M. Seki, K. Tanaka,K. Yamaji, Y. Fujimura, K. Uesaka, T. Nakabayashi, H. Shoji andS. Ogita,“A Compact Low-Power 224-Gb/s DP-16QAM Modulator
Module with InP-based Modulator and Linear Driver ICs,”OFC/NFOEC 2014, Tu3H.5.
（5） H. Yagi, T. Kitamura, N. Kono, H. Kobayashi, N. Inoue, K. Horino,D. Kimura, K. Fujii, Y. Yoneda, C. Fukuda and H. Shoji,“Low driving
voltage InP-based Mach-Zehnder modulators for compact 128
Gb/s DP-QPSK modulator," in Conf. on Lasers and Electro-Optics
Pacific Rim, and OptoElectronics and Commun. Conf./Photonics
in Switching（CLEO-PR&OECC/PS）, WK2-1（July 2013）（6） Y. Baeyens, N. Weimann, P. Roux, A. Leven, V. Houtsma, R. F. Kopf,
Y. Yang, J. Franckoviak, A. Tate, J. S. Weiner, P. Paschke, andY.-K. Chen,“High Gain-Bandwidth Differential Distributed InP
D-HBT Driver Amplifiers With Large（11.3Vpp）Output Swing at40Gb/s,”IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.39,NO.10（OCT. 2004）（7） K. Kikuchi, and S. Tsukamoto,“Evaluation of Sensitivity ofthe Digital Coherent Receiver,”JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY, VOL. 26, NO. 13（JULY 1, 2008）---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2015 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 186 号

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