第 199 号・2021 年 7 月

住友電工テクニカルレビュー

情報通信

800Gbit/s コヒーレント通信向け
InP 系光ミキサ集積受光素子

InP-based Photodiodes Integrated with Optical Mixer for 800 Gbit/s CoherentTransmission＊

沖本拓也

Takuya Okimoto

Koji Ebihara

岡本悟

八木

Satoru Okamoto

海老原幸司

山崎功一朗

米田昌博

Kouichiro Yamazaki

英樹

Hideki Yagi

Yoshihiro Yoneda

インターネットトラフィックの急激な増大に伴って光コヒーレント通信の伝送容量は800Gbit/s に達しようとしている。コヒーレントレシーバに搭載する受光素子に対しても、100GBaud に対応可能な広帯域、局発光の消費電力を低減するための高受光感度、実装部品・工数削減のための多機能集積が求められている。我々は、800Gbit/s コヒーレントレシーバへ搭載可能な広帯域・高感度 InP 系光ミキサ集積受光素子と、コヒーレントレシーバの小型・低コスト化を可能とする多機能集積受光素子を開発したので、その成果を報告する。

Due to the rapid growth of internet traffic, the transmission capacity of optical coherent communication is about to reach
800 Gbit/s. Photodetectors for coherent receivers are required to have three key features: wide frequency bandwidth tosupport 100 GBaud operations, high responsivity to mitigate the power consumption of local oscillators, andmultifunctional integration to reduce footprint and cost. We have developed a wide-bandwidth and high-sensitivity InPbased optical mixer-integrated photodetector that can be installed in an 800 Gbit/s coherent receiver, and amultifunctional integrated photodetector that enables the downsizing and cost reduction of coherent receivers.
キーワード：800Gbps、コヒーレントレシーバ、IC-TROSA、90°ハイブリッド、InP モノリシック集積

1.

緒

言

載する InP 系光ミキサ集積受光素子（3）を開発し、良好な特高精細映像の伝送が可能な5G サービスの開始、場所に性を得ている。今回、800Gbit/s コヒーレントレシーバに制限されないテレワークの浸透など、インターネットを介搭載可能な広周波数応答帯域・高受光感度特性を持つ InP

した大容量データ通信を基盤とする社会の変容が進行しつ系光ミキサ集積受光素子と、モジュール小型・低コスト化つある。これを支える光ファイバ通信技術における最大のに寄与する多機能集積受光素子を開発したので、その結果課題は、増大し続けるネットワークトラフィック容量の需を報告する。

要にいかにして応えるかである。
位相変調方式を用いるデジタルコヒーレント通信は大容2.

量・長距離通信に適していることから、光海底ケーブルなコヒーレントレシーバの構成どで大都市間を結ぶ幹線系や都市間を結ぶメトロ系、さらコヒーレントレシーバの外観を写真1に示す。パッケージにはデータセンタ間通信（DCI）に至るまで幅広く用いらの大きさは12.0×22.7×4.5mm であり、OIF ※1の Micro-れている。2021年現在、400Gbit/s コヒーレント伝送シICR Type1規格（4）に準拠している。

ステムの市場導入が進んでいるが、市場のさらなる要求に応じて伝送容量が800Gbit/s に達するコヒーレント伝送方式の標準化検討も既に開始されている（1）。
800Gbit/s 伝送に対応するコヒーレント光受信器である
コヒーレントレシーバを実現するためには、シンボルレー

12mmトの高速化、消費電力の低減、モジュールの小型・低コスト化の3つが不可欠である。コヒーレントレシーバに搭載する受光素子についても、100GBaud に達する高シンボ
ルレートに対応する広周波数応答帯域はもちろん、消費電力増大につながるローカル光の負荷低減のための高受光感

4.5mm

度、実装部品・工数削減のための多機能集積が強く求めら

22.7mmれる。
当社は、400Gbit/s コヒーレントレシーバ（2）とそれに搭

写真1 コヒーレントレシーバ外観
800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

6（1）住友電工テクニカルレビュー

第 199 号・2021 年 7 月※2
コヒーレント通信では、4値位相変調（QPSK）などの方

Anodep-Contact式で位相変調された光信号を X・Y の2偏波で多重した方式が用いられている。この信号を偏波成分ごとに分離し、光Absorption
lengthの位相信号を電圧信号に復号するのがコヒーレントレシー

Absorption
layer
n-Contact

バの機能である。

CarriertransitlengthCathodeInP substrate

図1にコヒーレントレシーバの内部構成を示す。まず、Incident
light

入力された信号光は偏波ビームスプリッタ（PBS）で X・Yの偏波成分ごとに分岐される。このとき、Y 偏波成分は半(a)波長板（HWP）で X 偏波に変換される。2つの信号はビー

Anode

ムスプリッタ（BS）によって一部がモニタフォトダイオー

p-Contactド（MPD）に入射された後、残りの光信号は可変光減衰器（VOA）を通してパワーが調整される。その後、それぞれIncident
lightに対応する90°
ハイブリッド光ミキサ に入力され、別経路※3から90°ハイブリッド光ミキサに入力された局発光（localClad

Absorption
lengthCoreAbs. layer

n-Contactoscillator）と干渉させることで位相信号を強度信号に変InP substrate換し、信号成分ごとに4つのチャネルに対応するフォトダ(b)イオード（PD）に入力される。このとき、PD の受光感度

CarriertransitlengthCathode

図2 (a) 面入射型受光素子および（b) 導波路型受光素子の構造概略図が高いほど局発光のパワーを低減できるためコヒーレントレシーバの低消費電力化につながる。PD で電流信号に変換された信号はトランスインピーダンスアンプ（TIA）で電圧信号に変換・増幅されたのちレシーバから出力される。

れる。キャリア走行長が短いほど生成したキャリアをすばやく引き抜けるため、周波数応答帯域は向上する。一方、吸収長が長いほどより多くの光を吸収してキャリアを生成できるため、受光感度は向上する。図2（a）に示す通り、面PDs integrated
with Functions
MPD

PDs integrated
with Optical Mixer

入射型受光素子は吸収層（absorption layer）に対して垂直に光が入射する構造を持つため、キャリア走行長と吸収TIA

Mirror
BSVOABS

Local
oscillator

X Pol.
90°
hybridmixer

XI

XQ長が一致する。このため、周波数応答帯域と受光感度の間に原理的なトレードオフが存在する。一方、図2（b）に示す
通り導波路型は吸収層に対して水平に光が入射する構造を持つため、キャリア走行長と吸収長を独立に制御できる。
つまり、電気容量増大による周波数応答帯域の劣化が生じ

Mirror
HWP

BS

SignalVOAY Pol.

YQ

90°
hybridmixer

YI

PBS

ない範囲内で吸収層を薄く・長く設計することで、キャリア走行長を短く維持したまま吸収長を伸ばして、広帯域と高受光感度の両立が可能となる。
さらに、導波路型受光素子は当社が保有する InP 系モノリ

MPD

シック集積技術を用いて、光ミキサを含むさまざまな導波路デバイスと一体集積することが可能なため、コヒーレン

図1 コヒーレントレシーバ内部構成

トレシーバの実装部品削減・フットプリント低減によるモジュールの小型・低コスト化に大きく寄与することができる。同時に、当社ではバットジョイント再成長技術（5）を用いて90°ハイブリッド光ミキサの出力導波路コアと導波路コヒーレントレシーバの性能指標である周波数応答帯型受光素子の吸収層が直接接続した構造を形成しており、域・受光感度は、搭載した受光素子の性能に大きく左右さこれによって高い光結合効率によるさらなる高受光感度をれる。当社は、広帯域動作・高受光感度・モジュール小型図っている。

化の観点から、InP 系材料を用いた導波路型受光素子をコヒーレントレシーバに搭載してきた。

3.

図2に一般的に用いられる面入射型受光素子と、当社が作800Gbit/s 向け集積受光素子の設計製する導波路型受光素子の概略図を示す。受光素子の周波90°ハイブリッド光ミキサを集積した受光素子の外観を

数応答帯域・受光感度は、それぞれキャリア走行長（carrier

写真2に、構成図を図3に示す。集積受光素子は大きさ1.6transit length）・吸収長（absorption length）に制約さ×4.1mm、厚み0.1mm の微小なチップであり、この中に800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

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可能な広帯域かつ高受光感度な集積受光素子を実現するた

Butt-joint
interfacePD
90° Hybrid Optical Mixer

Localoscillator

め、当社では3つの構造を導入している。1つ目は、PD 側の吸収層と光ミキサ側のコア層の直下に共通して配置された低濃度 n 型 InP バッファ層（3）である。PD 側においては空乏層を広げることで電気容量を低減して広帯域化に寄与す1.6mm

る一方、光ミキサ側においてはコアと高濃度の n 型 InP コンタクト層を分離することで自由キャリア吸収※6を抑制してSignal

受光感度の低下を防いでいる。2つ目は、吸収層と低濃度4.1mm
写真2

n 型 InP バッファ層の間に挿入された i 型 GaInAsP バッファ層（6）である。800Gbit/s に対応可能な広帯域動作を実現す

光ミキサ集積受光素子の外観るためにはキャリア走行長を短くするために吸収層をコア層よりも薄く設計する必要があるが、バットジョイント再成長界面での光強度分布の不整合による光結合効率の低下

Butt-jointinterfacePD
90° Hybrid Optical Mixer
Localoscillator

CH-1

2×4 MMI

CH-2
CH-3Signal

Spot-size
converter

図32×2 MMI

CH-4が懸念される。そこで、当社では i 型 GaInAsP バッファ層をIn-phasechannel(Ich)用いてコア層と吸収層の中心位置を高さ方向で一致させる

Quadraturechannel(Qch)

がら高い受光感度を達成している。3つ目は、p 型 GaInAs

ことでバットジョイント再成長界面での光強度分布の不整合を解消し、800Gbit/s に求められる薄い吸収層でありな吸収層と i 型 GaInAs 吸収層を組み合わせた2段吸収層構造である。p 型にドーピングされた GaInAs 吸収層は i 型に比べてキャリアの発生量は若干低下するが、多数キャリアで光ミキサ集積受光素子の構成図あるホールの走行を考慮する必要がなくなる。そのため、吸収層の総厚を変えることなく実効的なホールの走行長の短縮が可能となり、高感度を維持したままさらなる広帯域
90°
ハイブリッド光ミキサと4つのチャネルに対応する PD化を実現している。

がバットジョイント再成長技術を用いて一体集積されている。

4.

90°
ハイブリッド光ミキサは屈折率の高い GaInAsP 材料

800Gbit/s 向け集積受光素子の評価結果、45°

当社が作製した800Gbit/s 向け集積受光素子の評価結果

位相シフタ、2×2 MMI の3つの組み合わせで構成されてを示す（7）。図5は、素子に集積した4つの PD の光・電気変いる。光ミキサの入射ポートにはスポットサイズコンバー換時の周波数応答特性である。低濃度 n 型 InP バッファ層タ（SSC） が集積されているため、コヒーレントレシーバによる電気容量の低減、2段吸収層構造によるホール走行組立時の実装トレランスを確保すると同時に、レンズと光長の短縮により、4つすべてのチャネルでシンボルレートミキサの高い結合効率を確保できる。

100GBaud に対応可能な65GHz 以上の3dB 応答帯域を達のコアを持った InP 系光導波路であり、2×4 MMI※4※5

図4に90°
ハイブリッド光ミキサと PD の接続界面におけ成している。図6に C バンド波長帯における4チャネルの受

Relative response [dB]る断面図を示す。800Gbit/s コヒーレントレシーバに搭載

Butt-jointinterface
PD
Optical Mixer
i-InP
i-GaInAsP

Incident
light

p-GaInAs
p-InP

p-GaInAs

i-GaInAs
i-GaInAsP
n- -InP buﬀer-InP
S.I.n+InP
sub.
S. I. InP sub.

図4800Gbit/s 向け光ミキサ集積受光素子の断面図

30-3-6-9-12CH-1CH-2CH-3CH-4-15-18 Photocurrent = 2.0mA-21

Reverse bias voltage = 2.5V020

図5406080Frequency [GHz]100

光ミキサ集積受光素子の周波数応答800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

8（3）Responsivity [A/W]

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第 199 号・2021 年 7 月

0.20

キサが1個、PD が4個のみ集積されていたため、モジュー0.16必要があった。一方、本素子では1素子内に2つの90°ハイルには2つの偏波成分それぞれに対応する2素子を実装する
ブリッド光ミキサと8つの PD が集積されているため、モ

0.12ジュールに実装するのは1素子のみでよい。さらに、これ

0.080.04
Reverse bias voltage = 2.5V01530

15401550まで個別の部品として実装してきた MPD2個、VOA2個、CH-1
CH-2
CH-3CH-41560

BS3個を集積しているため、実装部品点数の削減による部材および実装コスト低減とモジュールの小型化に大きく寄与する。VOA はマッハ・ツェンダ―干渉計構造を採用し、1570導波路上にヒータを形成して熱光学効果を用いることで駆動しており、最大消光比は -28dB、その時の消費電力は

図668mW である。

光ミキサ集積受光素子の受光感度作製した多機能集積受光素子の8チャネルに対応する PDの逆バイアス IV 特性を図7に、受光感度のチャネル偏差の波長依存性を図8に示す。当社が保有する InP 系モノリシッ
光感度スペクトルを示す。この受光感度には、SSC におけク集積技術により、8チャネルでほぼ完全に一致した IV 特る光結合損、90°ハイブリッド光ミキサにおける4分岐の原性と C バンド全域で±0.3dB 以下の受光感度のチャネル間理損および導波路での過剰損、バットジョイント再成長界偏差を確認しており、前章の集積受光素子と遜色ない特性面における光結合損が含まれている。SSC 集積による高光を持った完成度の高い多機能集積受光素子を実現している。

結合効率、低濃度 n 型 InP バッファ層導入による90°ハイブ

本素子はコヒーレントレシーバの小型化・低コスト化に

リッド光ミキサ導波路内での光損失低減、i型 GaInAsP バッ効果的であることはもちろんだが、さらに小型化・低コストファ層の導入によるバットジョイント再成長界面における化が求められる送受信一体型モジュールであるIC-TROSA ※7

高い光結合効率を反映し、C バンドの中心である1550nmへの搭載にも有効な素子であると言える。

波長において4チャネル平均受光感度として0.155A/W を達成している。
以上の結果から、前章で詳述した3つの構造の導入によ

10 4

Dark current [A]る、800Gbit/s 対応に求められる広帯域動作と高受光感度を両立した InP 系光ミキサ集積受光素子を実証した。

5.

多機能集積受光素子

当社では、コヒーレントレシーバのモジュールの小型化・10 6

10 10低コスト化に向けて、これまで個別の部品として実装され10 12てきた各部品の機能を、InP 系モノリシック集積技術を用いて一素子に集積した多機能集積素子を作製した（7）。
写真3に作製した素子の外観を示す。大きさ4.1×2.6mm

図7のチップ上に、19個もの機能が一体集積されている。前章

CH-1
CH-2
CH-3
CH-4
CH-5
CH-6
CH-7
CH-8

10 80515102025

Reverse bias voltage [V]

多機能集積受光素子の逆バイアス IV 特性

で紹介した素子では1素子あたりに90°ハイブリッド光ミ

CH-1
CH-2

BSVOA

Local
oscillator

MPD

Ich

CH-3QchCH-4
CH-5 Qch
CH-6Y-pol.
signalCH-7
CH-82.6mm

X-pol.
signalImbalance [dB]

2.0Ich1.00.0
X Ich
X Qch
Y Qch
Y Ich

-1.0-2.01530

1540

1550

1560

1570

4.1mm

写真3図8

多機能集積受光素子の外観

多機能集積受光素子の受光感度チャネル間偏差
800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

9（4）住友電工テクニカルレビュー

6.

結第 199 号・2021 年 7 月

言90°ハイブリッド光ミキサと導波路型受光素子を一体集積した InP 系受光素子において、3つの構造を導入することでシンボルレート100GBaud に対応可能な高周波数応答帯域と局発光低減に寄与する高受光感度の両立に成功した。さらに、InP 系モノリシック集積技術を用いて19個もの機能を4.1×2.6mm のチップ上に一体集積した多機能集積受光素子を実証した。本素子は800Gbit/s コヒーレントレシーバに求められる高周波数応答帯域・高受光感度を満たすと同時にモジュールの小型・低コスト化にも寄与するものであり、未来の社会を支える大容量光通信ネットワー
クの実現に大きく貢献するものと確信する。

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

OIF

The Optical Internetworking Forum：光ネットワーク
技術に関する業界団体で、標準化を行う機関。
※2

4値位相変調（QPSK）

Quadrature Phase Shift Keying：90°間隔でシフトさせた4位相に2ビットのデータを割り当てる位相変調方式。

参 考 文 献（1）	L. Wilkinson,“OIF Launches 800G Coherent and Co-Packaging
Framework IA Projects, Elects New Board Members/Positions,
Officers and Working Group Chairs”（2020）（2）	M. Takechi, Y. Tateiwa, M. Kurokawa, Y. Fujimura, H. Yagi,and Y. Yoneda,“64 GBaud High-bandwidth Micro Intradyne
Coherent Receiver Using High-efficiency and High-speed InP-based
Photodetector Integrated with 90°Hybrid,”in Proceedings ofOFC2017, Th1A.2（2017）（3）	H. Yagi, T. Okimoto, N. Inoue, K. Ebihara, K. Sakurai, M. Kurokawa,
S. Okamoto, K. Horino, T. Takeuchi, K. Yamazaki, M. Ekawa,M. Takechi, and Y. Yoneda,“InP-Based Photodetectors
Monolithically Integrated with 90°Hybrid toward Over 400Gb/s
Coherent Transmission Systems,”IEICE Trans. Electron., Vol. E102.
C, no. 4, pp. 347-356（2019）（4）	“Implementation Agreement for Micro Intradyne Coherent
Receivers,”IA # OIF-DPC-MRX-02.0（2017）（5）	井上尚子、八木英樹、増山竜二、勝山智和、米田昌博、小路元、「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）（6）	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-efficient InP-based waveguide
photodiodes monolithically integrated with 90°hybrid towards
next-generation coherent transmission systems,”IPRM 2018,
paper Fr3A8-5（2018）（7）	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）

各ビットは位相によって In-phase と Quadrature に分けられる。
※3

90°ハイブリッド光ミキサ

コヒーレントレシーバにおいて、信号光と局発光を干渉させて同相成分と直交成分を出力する機構。
※4MMI

Multi-Mode Interference：導波路内で生じる多モード干渉を利用して光を分配する導波路構造。
※5

スポットサイズコンバータ（SSC）

Spot-Size Converter: 光のビーム径を変換する機能を持つ導波路構造。
※6

自由キャリア吸収金属や高濃度にドーピングされた半導体で生じる光の吸収。光ミキサ内で発生すると光信号の損失になるため受光感度の低下を招く。
※7

IC-TROSA

Integrated Coherent Transmit-Receive Optical Subassembly：受信だけではなく送信の機能も一体となったコヒーレント通信用モジュール。

800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

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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
沖本

拓 也 ＊ ：伝送デバイス研究所

海 老 原 幸 司 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱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㈱八木英 樹 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

米田

昌 博 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主幹

主席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

800Gbit/s コヒーレント通信向け InP 系光ミキサ集積受光素子

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