特集高速（100G/200G/400G 用）高感度 APD
チップ搭載4ch 集積受信デバイス
Integrated ROSA with High-Sensitivity APD Chips for up to 400 Gbit/s
Communication
＊中島史博

前川享平

Fumihiro Nakajima

平山徹桒原

涼

Toru Hirayama

Kyouhei Maekawa

遠藤匠

矢崎厚志

Takumi Endo

Ryo Kuwahara

Atsushi Yasaki

インターネット環境の更なる向上に対する社会要請に応えるため、光部品市場のニーズは現在主流である100G 製品から、早くも200G/400G 製品へと移行しつつある。当社はその高速化に加え、20 km 超の中長距離伝送に対するニーズにも応えるべく、内製APD を搭載した4ch APD 集積受信デバイスを開発した。これまで開発してきた4ch 集積受信デバイスの設計をベースとし、当社独自設計の高感度 APD チップと光挿入損失の小さい空間結合型の光分波器を内蔵した、伝送速度200 Gbit/s において優れた性能を有する
4ch APD 集積受信デバイスを実現した。本稿ではデバイス構造や、1シンボルあたり2ビットの情報を伝送することが可能な4値パルス振幅変調（4-level Pulse Amplitude Modulation, PAM4）信号を用いた53 Gbit/s での受信感度等の諸特性について紹介する。

In response to market expectations for 200 Gbit/s and 400 Gbit/s optical devices, we have developed a new compact
receiver with four avalanche photodiodes and an integrated optical de-multiplexer for 20-40 km distance applications. This
receiver is based on the structure of our previous 40 Gbit/s and 100 Gbit/s receivers and employs newly developed
avalanche photodiodes for high responsibility. This paper presents the design and performance of the receiver, including its
sensitivity in 53 Gbit/s PAM4 (pulse amplitude modulation 4) signal transmission.
キーワード：100G 超、受信デバイス、高集積、APD

1.

緒LTE

言の光トランシーバが、ネットワーク構築のための主流製品等の高速な無線ネットワークのサービス拡大に加として用いられている。しかしながら、市場のニーズは早え、昨今の携帯端末の漸進的な進歩によって、動画コンテ

くも伝送速度200 Gbit/s や400 Gbit/s 製品へと移行しつンツなど大容量データへのアクセスが容易に行われるようつあり、CFP8※2や QSFP-DD ※3などの次世代光トランシーになってきた。産業界においてもビッグデータ、IoT といっバの開発が進められている。

※1

たキーワードで語られるように、社会全体の情報通信への当社はこれまでに QSFP28に搭載可能なサイズで、かつ4波長の信号光を1つのデバイスで受信できる、小型の4ch依存度が益々大きくなっている。
その社会要請に応えるため、図1に示した CFP ※2や、より集積受信デバイスを開発してきた（1）～（3）。200 Gbit/s 超の小型の CFP4※2、QSFP28※3といった伝送速度100 Gbit/s

高速化への要求に加え、20 km 超の中長距離伝送のニーズにも応えるため、当社が開発した4ch 集積受信デバイスの設計をベースに、当社独自の高感度のアバランシェフォト

CFP

CFP4

QSFP28ダイオード（Avalanche Photodiode, APD）を内蔵した、伝送速度100 Gbit/s および200 Gbit/s、伝送距離20 km超に対応した4ch APD 集積受信デバイスを開発した。

100G/200G
CFP8

2.

4ch APD 集積受信デバイスの構成

2－1

デバイス構造図2に今回開発した4ch APD 集積受信デバイスの外観

QSFP-DD図、図3にデバイス構成の模式図を示す。レセプタクルやケースといった光トランシーバ設計に関わる構成部品を、400G
図1

80100 Gbit/s 超光トランシーバの外観図

既存の4ch 集積受信デバイスと共通化することで、小型光トランシーバの QSFP28筐体にも搭載可能なサイズとなっている。

高速（100G/200G/400G用）高感度APDチップ搭載4ch集積受信デバイス

ち、ケースおよびフレキシブル基板上に設けられた高周波線路を経由して光トランシーバに伝達される。

APD1電圧APD0電圧40 Gbit/s
100 Gbit/s

信号光

4ch 集積受信デバイスの外観図

レセプタクルレンズ

信号光光分波器

図2

TIA電圧

200 Gbit/s

ケース

光分波器

TIA

ﾚｰﾝ0出力ﾚｰﾝ0出力APD1

ﾚｰﾝ1出力ﾚｰﾝ1出力ﾚｰﾝ2出力

信号光

フレキシ
ブル基板

APD0

信号光

ﾚｰﾝ2出力

APD2

ﾚｰﾝ3出力ﾚｰﾝ3出力

APD3

TIA電圧

図3

APD3電圧

4ch 集積受信デバイスの構成模式図

APD2電圧

図54ch APD 集積受信デバイスの機能ブロック図

図4に、4ch APD 集積受信デバイスの光学系の概要を示す。4波長の信号光が多重化された光が、ケース外部のレセプタクルに内蔵されたレンズにより平行光化されたのち、1信 号 光 あ た り50 Gbit/s 超 の 伝 送 速 度 を 実 現 す る た

ケース内の光分波器で4波長の信号光に空間的に分離されめ、従来の1シンボルで1ビットの情報を伝送する NRZる。光分波器は、各信号光の波長帯のみ透過するバンドパ（Non-Return to Zero）信号ではなく、4値パルス振幅変スフィルタとミラーが対向配置された構造で、その間を多調（4-level Pulse Amplitude Modulation, PAM4）信号重化された信号光が透過・反射を繰り返すことで波長ごとが IEEE の標準規格として定められた（4）。図6に示すように、に分波される。

PAM4信号は1シンボルあたり2ビットの情報を含むため、NRZ 信号と同じシンボルレートでありながら2倍の情報量を伝送することが可能となる。
APD

ミラー

13=112=104波 長 多 重 光

1=01光分波器
図4NRZフィルタ

4ch APD 集積受信デバイスの光学系概要

各信号光は、その後方に配置された APD に集光される。

図62－200=00

1ビット

2ビット

PAM4

NRZ および PAM4信号の概略図

APD 構造APD は後述のように当社の独自設計であり、裏面入射、図7に当社が開発した APD チップの外観図と、断面構造モノリシックレンズ集積、高受光感度といった点を特徴との模式図を示す。本デバイスに搭載する APD チップは、CRする。図5に電気信号系の機能ブロック図を示す。APD で時定数やキャリア走行時間、増倍立ち上がり時間を各々最光電変換された信号は、後段のトランスインピーダンスア適化することで高速動作を実現している。容量低減のためンプ（Transimpedance Amplifier, TIA）で増幅されたの小口径化した受光領域に対し、入射した信号光を効率よく2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

81結合するために裏面入射構造を採用し、かつその入射面に性を得ている。図9は、デバイス温度25℃、増倍率10におモノリシックレンズを設けることで、広い有効受光径を実けるモノリシックレンズ面内の受光感度を表しており、反現している。チップには半田バンプを形成することで、基射ミラーをもたない従来型素子の受光感度の最大値で規格を容易にしている。一方、化したものである。反射ミラーの採用により最大受光感度

キャリア走行時間と増倍立ち上がり時間の短縮化のため、は1.3倍向上し、広い有効受光径と高い受光感度を兼ね備半導体層全体の電界設計に基づいて構成する光吸収層や増えていることがわかる。

板上へのフリップチップ実装※4

倍層の厚さやキャリア濃度を最適化している。これら半導体層の形成には、層厚や不純物濃度の制御性に優れた有機金属気相成長法を用いている。

1.5

有効であるが、それに伴う受光感度低下を抑制するため、
当社 APD チップには反射ミラーを設けている。これにより、光吸収層で吸収されず一度透過した信号光を反射させることで受光感度を向上させると共に、電極金属と反射ミラーを兼ねた構造とすることで、層構成を複雑にすることなく製造性を考慮した設計としている。

規格化受光感度

キャリア走行時間の短縮のためには光吸収層の薄膜化がモ ノ リ シ ッ ク レ ン ズ +反 射 ミ ラ ー

反 射 ミ ラ ーに
よ る高 感 度 化

モノリシックレンズ

1.00.5
受光部のみ

0.0-30-20-10モノリシックレンズ
による有効受光径拡大0102030

光入射相対位置 [μm]
(a)

(b)

反射防止膜

入射光

モノリシックレンズ

図9

APD の受光感度特性

InP 基板
吸収層

3.

増倍層
100um

半田バンプ

図7

ミラー電極

アノード電極カソード電極開発目標仕様

表1に、4ch APD 集積受信デバイスの開発目標仕様を示す。IEEE 標準や4WDM（5）等の MSA ※5をベースに、市場要求を加味した上で当社が独自に設定したものを開発目標とAPD チップの（a）外観図、および（b）構造図した。

2－3

APD 特性表14ch APD 集積受信デバイスの開発目標仕様

図8に、デバイス温度25℃、光入力パワー -27 dBm における APD チップの電流 - 電圧特性を示す。ブレークダウン

100 Gbit/s

200 Gbit/s

単位

変調方式

NRZ

PAM4-電圧の90％に相当する印加電圧において、400 nA 以下の伝送速度

25.7812553.125Gbit/s

1294.53～1296.59

低暗電流を実現し、かつ最大増倍率30以上の良好な増倍特1299.02～1301.09

波長nm1303.54～1305.63
1308.09～1310.19

1.E-041001.E-06

101.E-08

1

増倍率 M

電流 [A]

光電流

0108220

印加電圧 [V]図8< -18.5-

最小受信感度‡(OMA※6)-< -15.0

APD の電流－電圧曲線300.1dBmdBm†符号誤り率＝5×10 での光入力パワーとして定義‡符号誤り率＝2×10-4 での光入力パワーとして定義
-54.

暗電流
1.E-10

最小受信感度†(OMA ※6)

デバイス特性

4－1

分波特性

図10に4ch APD 集積受信デバイスの分波特性を示す。本デバイスには、既存の4ch 集積 ROSA にも採用している IEEE準拠の波長グリッドに対応した光分波器を搭載している。

高速（100G/200G/400G用）高感度APDチップ搭載4ch集積受信デバイス

ここで示す受光感度は、平均光入力パワー -20 dBm、増4－3

受信感度特性

倍率1での値である。表1に示した各レーンの波長範囲での

図12にデバイス温度25℃、伝送速度25.78125 Gbit/s

受光感度は0.65 A/W 以上で、かつその変動量は0.5 dB 以（PRBS231-1）、NRZ 信号入力時の符号誤り率を示す。ここ下である。これは4波長の信号光が4つの APD チップに対で示す符号誤り率は、他の3レーンに光入力がある状態、し同時に高効率で結合していることを表し、当社 APD チッつまりクロストークの影響を含む測定値である。符号誤りプのモノリシックレンズ集積構造と高感度設計によるもの

率＝5×10-5での最小受信感度（OMA）は -23 dBm 以下をである。

示し、目標仕様 -18.5 dBm に対し4.5 dB 以上のマージンを有している。また、クロストークによる受信感度劣化は
レーン00.5 dB 以下であることを確認している。

レーン3

レーン20.6
0.5

1E-03

0.4
0.30.24.5 dBm

1E-040.1012901295

図104－2-18.5 dBm

符号誤り率=5×10-5130013051310

波長 [nm]

1315

1E-05

符号誤り率

受光感度 [A/W]

0.7

レーン1各レーンの分波特性

レーン0
レーン11E-06

レーン21E-07

レーン31E-08

全高調波歪み／出力振幅

図11に、変調周波数1 GHz、変調度30％の信号光を用

1E-09

いて測定した全高調波歪み（Total Harmonic Distortion,

1E-10THD）、および出力波形振幅の光入力パワー依存を示す。

1E-11

平均光入力パワーが0 dBm 以下での THD は1％以下、+21E-12-25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17

dBm においても2％以下であり、優れた線形性を有してい光入力(OMA) [dBm]ることがわかる。出力振幅は、-15 dBm 以下での小信号領域では単調に増加し、+2 dBm までは TIA の利得調整機能

図12

によりほぼ一定値を示し、PAM4信号処理に十分な出力振25.78125 Gbit/s, NRZ 信号での符号誤り率幅が得られている。

3507%

3006%

2505%

200

正相 振幅

逆相 振幅

4%

150

正相 THD

逆相 THD

3%

1002%

501%

0-25-20-15-10-50

平均光入力パワー [dBm]
図11

全高調波歪みおよび出力振幅0%、PAM4信号入力時の符号誤り率を示す。符号（PRBS231-1）
誤り率は、他の3レーンからのクロストークがない状態での全高調波歪み

出力振幅 [mV]

図13に、デバイス温度25℃、伝送速度53.125 Gbit/s

測定値である。光源には、当社が開発を進めている外部変調器付きレーザダイオードを1つのケースに集積した、4ch 集積送信デバイスを使用した（6）。前方誤り訂正なしの最小受信感度（OMA）は、すべてのレーンで -17 dBm（符号誤り率＝2×10-4）以下を示し、目標仕様を満足する特性を実現している。また前方誤り訂正ありでの最小受信感度（OMA）も、-17 dBm 以下（符号誤り率＝1×10-12）である。
4－4

ファイバ伝送試験

図14に、デバイス温度25℃、伝送速度53.125 Gbit/s、PAM4信号での0 km、20 km および40 km（PRBS231-1）
伝送後の符号誤り率を示す。光源には、前節と同じ4ch 集積送信デバイスを使用した。符号誤り率＝2×10-4における2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

83

40 km 伝送後の受信感度劣化（伝送ペナルティ）は、前方誤り訂正なし・あり共に0.1 dB 以下と、良好な特性を得て

5.

結言

当社は、伝送速度200 Gbit/s、伝送距離20 km 超用途の光トランシーバに搭載可能な、4ch APD 集積受信デバイいる。

スを開発した。当社独自設計の APD チップを搭載することで、高い受光感度と優れた製造性を実現した。25.78125
1E-03

Gbit/s、NRZ 信号での最小受信感度（OMA）は -23 dBm以下、53.125 Gbit/s、PAM4信号では -17 dBm 以下を示

-15 dBm

し、40 km 伝送後の受信感度劣化は0.1 dB 以下と良好な特符号誤り率=2×10-4

符号誤り率

1E-04

性を示した。また、1274/1278/1282/1287 nm の波長グ

前方誤り訂正なし

1E-05

レーン0

レーン1

レーン2

レーン3リッドに対応した光分波器を搭載することで、400 Gbit/s伝送を実現する CFP8にも対応することが可能である。

1E-06

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

1E-07

※1

Long Term Evolution：携帯電話通信規格の一つ。4G と

1E-08
1E-09

LTEも表記される。伝送速度は最大100 Mbit/s。
前方誤り訂正あり

1E-10

レーン0レーン1

※2

1E-11

レーン2レーン3C Form-factor Pluggable：100 Gbit/s 超用光トランシー

1E-12-20-15-10-505

光入力(OMA) [dBm]
図13バの業界標準の一つ。CFP8は伝送速度50 Gbit/s、8波長の信号光を用いて400 Gbit/s を実現する。
※353.125 Gbit/s, PAM4信号での符号誤り率

CFP/CFP4/CFP8

QSFP28/QSFP-DD

Quad Small Form-factor Pluggable：100 Gbit/s 超用小型光トランシーバの業界標準の一つ。QSFP-DD（DoubleDensity）は、伝送速度100 Gbit/s、4波長の信号光を用

1E-03

いて400 Gbit/s を実現する。
符号誤り率=2×10-4

1E-05

符号誤り率

※4

前方誤り訂正なし

1E-040 km

基板上への部品実装方法の一つ。ワイヤによる接続ではな

20 km

く、導電性材料からなる電極を介して、基板と部品とを電40 km

気的に接続する。
※5

1E-06

MSA

Multi Source Agreement：部品ベンダーによる、部品仕1E-07

様等の業界規格、いわゆるデファクトスタンダード。

1E-08

前方誤り訂正あり

1E-09※60 km

1E-1020 km

1E-1140 km

1E-12-20-15

OMA

Optical Modulation Amplitude：光変調振幅のこと。

-10-5

光入力(OMA) [dBm]
図14 ファイバ伝送後の符号誤り率84

フリップチップ実装

高速（100G/200G/400G用）高感度APDチップ搭載4ch集積受信デバイス

参考

文献

（1）	沖和重、「40ギガビット光分波器集積小型光受信モジュールの開発」、
SEI テクニカルレビュー第182号（2013年1月）（2）	川 村 正 信、
「40G/100Gbit/s 用 光 分 波 器 集 積 光 受 信モジュー ル」、SEI テクニカルレビュー第186号（2015年1月）（3）	Fumihiro Nakajima,“100Gbit/s Compact Receiver Module with
the Built-in Optical De-Multiplexer,”IEEE Photonics Conference
2013, TuG3.1（4）	http://www.ieee802.org/3/bs/（5）	http://4wdm-msa.org/（6）	寺西良太、「高速（100G/200G/400G 用）外部変調器内蔵 LD チップ搭載4ch 集積送信デバイス」、SEI テクニカルレビュー第192号（2018年1月）

執筆

中島

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
史 博＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部
博士（科学）

平山徹：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部

遠藤匠：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部

前川享平：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部桒原涼：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部 課長

矢崎厚志：住友電工デバイス・イノベーション㈱光部品事業部 担当部長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ーーーー＊主執筆者

2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

85