情報通信85 ℃高温動作 80km 伝送用
11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発
濱島康宏・井＊上真吾・日野正登大坪和敏・鈴木信也・乙部健二Development of 11.1Gbit/s Pluggable Optical Link Enabling 80km Transmission at 85˚C ─ by Yasuhiro Hamajima,
Shingo Inoue, Masato Hino, Kazutoshi Otsubo, Shinya Suzuki and Kenji Otobe ─ The authors have successfully
developed an XFP (10Gbit/s small form factor pluggable) transceiver module, which satisfies all of the requirements
by XFP multi source agreement (MSA) at -5 to 85˚C. The power dissipation of the newly developed XFP is around
3.0W and 20% lower than the conventional XFP. Furthermore, this module can reach up to 80km (1600ps/nm) at
11.1Gbit/s. We believe that this module will contribute to reduction in the size and cost of transmission equipment.
Keywords: XFP, LR2, E-temp, 11.1Gbit/s, long haul, low power dissipation

1.

緒言

近年、情報通信のデータ量の増大により幹線系に使用さ表1れる伝送装置の高ビットレート化や WDM（WavelengthDivision Multiplexing）化が急速に進められている。これら 伝 送 装 置 に は XFP（ 10Gbit/s Small Form FactorPluggable）等のプラガブル光リンクが搭載されたボードが複数枚搭載されている。データ量を増大させるために、1 装置あたりのボード枚数を増やすか、ボードあたりのプラガブルモジュールの搭載数を増やす方法が行われる。このため、装置の熱設計の観点から使用される XFP には低消費電力化や高温度動作化が要求される。
今回、我々はこれら要求に適合した 85 ℃, 11.1Gbit/s で

光送
信部

主要諸元

動作ケース温度-5 〜 85 ℃

外形寸法78.0mm × 18.35mm × 8.5mm（12.2cm3，MSA 準拠）

電気インターフェース

30 ピンコネクタ（MSA 準拠）

伝送速度

9.95/10.3/10.7/11.1Gbit/s

光送信デバイス

EA 変調器レーザ

中心波長1530 〜 1565nm

光出力パワー

0 〜 4dBm

光出力波形

TELCORDIA GR-253-CORE 準拠

消光比

9dB

動作する 80km（1600ps/nm）伝送用 XFP LR2/10GBASE-

ジッタジェネレーション100mUIpp/10mUIrms

ZR の開発および製品化に成功した。

ジッタトランスファー

TELCORDIA GR-253-CORE 準拠

伝送路

SMF（1.3µm 零分散シングルモードファイバ； G.652）

本稿では、XFP の MSA 規格（1）の 3.5W 以下で 85 ℃動作を可能にした低消費電力化設計と開発したプラガブル光リンク（XFP）の特性について報告する。

2.

開発した光リンクの構成と諸元
２−１

主要諸元

開発した 11.1Gbit/sXFP 光リンクの主要諸元を表 1 に示す。本製品は動作温度範囲-5 〜 85 ℃、
標 準 シ ン グ ル モ ー ド フ ァ イ バ に て 80km（ 分 散 量 で1600ps/nm）、 11.1Gbit/s ま で の 伝 送 を 可 能 と す る モ
ジュールである。光電気特性は MSA で定められている

伝送路光受信部

残留分散値

0 〜 1600ps/nm

受光デバイス

APD

受信感度-24.0dBm（9.95Gbit/s）-23.5dBm（11.1Gbit/s）

分散ペナルティ

2dB（9.95Gbit/s）
3dB（11.1Gbit/s）

オーバーロード-7dBm

ジッタトレランスTELCORDIA GR-253-CORE 準拠

電源

消費電力

+3.3V, +5V
3.5W

TELCORDIA GR-253-CORE（2）に準拠し、規定されていな
い 11.1Gbit/s は顧客要求の特性を開発目標とした。高温（85 ℃）になると消費電力が増加してくるが、消費電力3.5W 以下を目標とした。距離（分散量）が長くなり、ビットレートが上がるほど光受信部の最小受信感度や分散ペナルティは劣化する傾向にある。11.1Gbit/s での目標受信感度は-23.5dBm 以下、分散ペナルティは 3dB 以下とした。
図 1 にブロックダイアグラムを示す。本光リンクは、光送信部、光受信部及び制御部の 3 つの部分より構成される。

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 63 ）−光送信部

電気入力信号TOSA

CDR

EA 変調器

光出力信号（3）のバイアス電圧を制③ APD（Avalanche Photodiode）

TEC御するために高電圧を生成する高電圧生成回路の 3 つの部

制御部
AD変換器

分により構成されている。

温度制御 光パワー制御

CPU

光信号を電気信号に変換する ROSA は InGaAs APD

DA変換器

フォトダイオードを内蔵しており、XMD-MSA に準拠した

高電圧生成
電気出力信号

光受信部

光入力信号

ROSA

CDRTIA

図12−2

光受信部は①光信号を電内部構成 2 光受信部

Assembly）、②電気の入力信号を受けて再生する CDR、LDD
LD

2 線式
通信

2−3

気 信 号 に 変 換 す る ROSA（ Receiver Optical Sub-APD

ものを開発した（写真 2）。中心の ROSA ケースには APDと TIA（Transimpedance Amplifire）が内蔵されており、フランジで支えられフレキシブル基板により XFP 本体の基板と接続される。

ブロックダイアグラム

内部構成 1 光送信部

ROSA ケース

光送信部は①電気信号を光信号に変換する TOSA（Transmitter Optical SubAssembly）、②電気の入力信号を受けて再生する CDR（Clock and Data Recovery）、③電気信号の振幅を増幅する LDD（Laser Diode Driver）、④ LD の駆動電流を制御フランジする光パワー制御回路、⑤ TOSA 内の LD（Laser Diode）
温度の制御を行う温度制御回路の 5 つの部分により構成されている。

フレキシブル基板

電気信号を光信号に変換する TOSA は、-5 〜 85 ℃の温度、11.1Gbit/s まで動作する 80km 伝送用の EA 変調器レーザ（EML: Electro-Absorption Modulator Integrated Laser

写真 2ROSA 外形Diode）を搭載し、XMD-MSA に準拠したものを開発した（写真 1）。TOSA ケース内には LD および EA 変調器や TEC（Thermoelectric Cooler）が内蔵されており、フランジで支えられフレキシブル基板により信号線路が XFP 本体の基板と接続される 。
（3）

2−4

内部構成 3 制御部

制御部のブロックダイアグ

ラムを図 2 に示す。制御部は①モジュールの温度や受信部に入力される光パワーなどの動作状況をモニタしているAD（Analog-Digital）変換器、② EA 変調器駆動電圧やレーザ駆動電流などの制御を行っている DA（DigitalAnalog）変換器、③ AD/DA 変換器やモジュール全体の動作を監視している CPU の 3 つの部分から構成される。また、

TOSA ケース

制御部

フランジ
2線式
通信
フレキシブル基板

写真 1CPUプログラム
メモリ

・モジュール温度
・送信部光パワーモニタ
・受信部光パワーモニタ
・電源電圧

DA変換器

・EA変調器駆動電圧・LD駆動電流・TEC温度・APD用高電圧

TOSA 外形
図2−（ 64 ）−AD変換器

85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発

制御部のブロックダイアグラム

CPU は 2 線式通信機能（2-wire serial interface）により3−2

新たに開発した低消費電力 XFP

今回開発し外部との通信を行うことができ、モジュール外部から内部た XFP は下記（1）〜（4）を行うことで低消費電力化を実の動作確認、異常検知、固体識別や各種機能のコントロー現した。

ルを行っている。

（1）TEC（Thermo Electric Cooler）周辺での低消費電力化。85 ℃で 0.6W 削減。

3.

① 新規に開発した高効率 LD を採用し、従来よりも約低消費電力設計
3−130 ％の注入電流を削減した。これによりチップの従来技術を用いた場合の XFP の消費電力発熱量が下がるため TEC の消費電力が下がる。

図3に従来技術を用いた設計時の消費電力見積りを示す。XFP② TEC 駆動回路の高効率化。のケース温度が高温になると LD 温度を一定に保つために③ 高効率 DC/DC コンバータ（電圧変換器）を効果的TEC が冷却素子として働き、TEC 電流が上昇する。逆にに使用。

ケース温度が低温になると、TEC は加熱素子として働き、④ 低電圧の安定化電源を作り、部品への印加電圧をTEC 電流を増大させる。LD の表面温度と XFP のケース温抑制。

度との温度差が大きいほど、TEC 電流は多くの電流が流れ（2）LDD 周辺での低消費電力化。85 ℃で 0.3W 削減。

るために消費電力が増加する。このため 85 ℃で動作させ① LD バイアス回路への給電方法の見直し。

る場合は、従来の 75 ℃動作と比べ 0.8W も消費電力が増大② 低電圧駆動の EML-LDD を採用。

する。温度変化による消費電力の増大は TEC の消費電力変（3）低消費電力の CDR-IC を採用。85 ℃で 0.2W 削減。

化が最も影響していることが分かる。85 ℃の消費電力は合（4）TIA の電源電圧を最適化。85 ℃で 0.1W 削減。

計 4.0W になり、同様規格の 3.5W よりも大きくなる結果になった。

図 4 に今回新規に設計した XFP の消費電力を示す。従来技術で支配的な TEC 周辺や LD 駆動回路の消費電力は、新規設計品の TEC 周辺では 85 ℃で 0.6W、LDD 周辺では0.3W を削減する見積りとなっている。
5.05.0
LDD 周辺3.0

TEC 周辺

4.0

CDR
LD 駆動

2.0

TIA 駆動CPU 他

1.00.0-53575

Power Dissipation [W]Power Dissipation [W]

4.085

3.0

TEC 周辺
CDR
LD 駆動

2.0TIA 駆動
CPU 他

1.0Temperature [˚C]

図3

LDD 周辺

従来技術を用いた場合の XFP の消費電力

0.0-5357585

Temperature [˚C]

図4

実際には TEC の冷却能力に制限があり、これを超えると新たに設計した XFP 消費電力

LD の発熱を吸収することができなくなる。この場合は LDの表面温度が上昇し、注入電流の増加、さらに発熱する熱暴走モードに入ることになる。よって LD の消費電力を減らすことが重要になる。

4.

諸特性
4−1

消費電力

図 5 に開発した XFP モジュール全TEC 周辺部以外にも EA 変調器、LDD 部や、CDR など

体 の 消 費 電 力 を 示 す 。 消 費 電 力 は 温 度 35 ℃ で 1.9W、消費電力が大きい回路があり、これらの低消費電力化も必75 ℃で 2.6W、85 ℃で 2.9W となり、設計どおりの消費電須である。

力で実現できており、規格の 3.5W 以下を達成できた。

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 65 ）−3.53020

2.5

Wavelength Drift [pm]Power Dissipation [W]

3.0

2.0
1.5
1.0

100-10-20

0.5
0.0-100102030

405060708090-30-100102030

図54−2

図7XFP モジュールの消費電力

光出力波形

405060708090Temperature [˚C]

Temperature [˚C]

図 6 にフィルタ透過後の 1600ps/nm 伝送前後の光出力波形を示す。伝送前の波形（図の上段）は、GR-253-CORE で規定されるマスクパターンを満光波長安定度精密な波長制御を実現しており、今後 DWDM 用途への拡張が可能である。
4−4

光受信側の特性として図 8 に 9.95伝送特性足しており、マージン 10 ％以上を確保することができた。

Gbit/s、35 ℃ケース温度での BER（Bit Error Rate）グラ伝送後の波形（図の下段）は 11.1Gbit/s でも開口しており

フ を 示 す 。 規 格 -24dBm に 対 し て 十 分 に 余 裕 が あ り 、1600ps/nm 伝送が可能なことを示している。Tx 側のオフ

1600ps/nm 伝送時の分散ペナルティはほぼ 0dB と良好なセット電圧 Vo を深くすると伝送後の波形は 0（ゼロ）レベ特性が得られた。

ルの信号が下がるため開口し伝送特性が良くなるが伝送前の波形は開口が狭くなる。逆にオフセット電圧 Vo を浅くすると伝送後の波形は 0（ゼロ）レベルの信号が上がるため開口が狭くなり、伝送前の波形は開口が広くなる。伝送: 0ps/nm

BER

前と伝送後の波形はトレードオフとなっており、オフセッ: 1600ps/nm

10-3

ト電圧 Vo を最適化した。

10-411.1G
Bit Error Ratio

9.95G

10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12-32

図6

伝送前後の光出力波形（35 ℃, PRBS31）4−3光波長安定度

図 7 に光波長の安定度を示す。

−（ 66 ）−

85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発-28-26-24-22-20

Optical Input Power [dBm]

図8

動作ケース温度範囲（-5 〜 85 ℃）において± 25pm 以内の-30

伝送特性（35 ℃, 9.95Gbit/s, PRBS31）

図 9 に最少受信感度の温度特性を示す。高温 1600ps/

100000nm 伝送時に約 0.8dB の受信感度劣化が確認されたが、温圧や APD の駆動電圧を温度に対し受信感度が最小になるよう最適化しているためである。

Jitter Tolerance [UIp-p]

度特性は十分に低い結果が得られた。これは TIA の閾値電

GR-253 Mask
Tc = -5˚C
Tc = 35˚C

1000

Tc = 85˚C

100
101GR-253 Mask

0.1
1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08-22.0
Optical Input Power [dBm]

10000

-22.5

: 0ps/nm-23.0: 1600ps/nm

Frequency [Hz]-23.5

図 11-24.0

ジッタトレランス特性-24.5-25.0-25.5-26.0-26.5-27.0-100102030405060708090

Temperature [˚C]

図95.

結言

新規に開発した TOSA の採用および新たに回路を設計
す る こ と で 85 ℃ に て 3.5W 以 下 の 消 費 電 力 を 実 現 し11.1Gbit/s で動作する 80km（1600ps/nm）伝送用 XFP

受信感度の温度特性（9.95Gbit/s, PRBS31）

LR2/10GBASE-ZR の開発および製品化に成功した。本製品を用いることで伝送装置のボードあたりの XFP 数量を効果的に増やすことが可能になり、現在加速している情報量
図 10 にファイバ分散値と分散ペナルティのビットレー増大のニーズに対応できると考えられる。

ト依存性を示す。分散量が増えると、またビットレートが高くなると分散ペナルティは悪化するが、11.1Gbit/s、1600ps/nm まで分散ペナルティは 2dB 以下の良好な特性を確認することができた。

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※1WDM

Wavelength Division Multiplexing（波長分割多重方式）：
波長毎に異なる信号を変調し、1 本のファイバに結合させる。

Dispersion Penalty [dB]

7
6

10.3G

511.1G※210.7G

XFP

10 Gigabit Small Form Factor Pluggable ：活栓挿抜可
能な 10Gbit/s 対応光トランシーバ。

432※3

1

Multi-Source Agreement ：モジュールサプライヤ各社0が、外部仕様を共通化するための協定。

-1
1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

Chromatic Dispersion [ps/nm]

図 10

ファイバ分散値と分散ペナルティ※4MSATOSATransmitter Optical Sub-Assembly ：発光素子と光ファイバとを容易に光学結合させることができるレセプタクルタイプのモジュール。
※54−5

ジッタトレランス

図 11 にジッタトレランス

特性を示す。GR-253-CORE の要求に適合している。

CDR

Clock Data Recovery ：シリアル伝送システムの受信側において、シリアル信号に織り込まれているクロック成分を再生し、それで信号を再同期させることによって、元の信2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 67 ）−号を回復させること、またはその回路要素。GbE では
8B/10B 符号によって、SONET/SDH ではスクランブル処理によって、ある程度値が変化するシリアル信号になっている。CDR の特性としては、同値連続への耐性や、ジッタ耐性が重要である。さらに、PON の上りにおいてはバースト信号になるので、同期時間も重要になる。
※6LDLaser Diode（半導体レーザー）。
※7ROSA

Receiver Optical Sub-Assembly ：受光素子と光ファイバ

参考（2）International Telecommunication Union,“ ITU-T G.693 andTelcordia GR-253 Specifications”（3）K.Morito,“Penalty-Free 10Gb/s NRZ Transmission over100km ofStandard Fiber at 1.55um with a Blue-Chirp Modulator Integrated
DFB Laser”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.8, NO.3,
p431-433（MARCH, 1996）

執筆

Avalanche Photo Diode（エーピーディー／アバランシ
フォトダイオード／アバランチフォトダイオード）：ブ
レークダウン電圧に近い大きな逆バイアス電圧（数十〜200V）が印加された半導体の p-n 接合において、吸収光子によって生成された正孔− 電子のペアが電界による加速を受けて伝搬する際にイオンと衝突することにより正孔−者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------濱島康 宏＊：伝送デバイス研究所機能モジュール研究部
光ネットワーク用光トランシーバ開発に従事

井上真 吾 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部

日野正 登 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部

大坪和 敏 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部 主査

鈴木信 也 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部 主査

乙部

健 二 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部
グループ長

プのモジュール。
APD------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

電子のペアを追加生成し加速度的に電流が増大するなだれ（アバランシ）現象を示す。このアバランシ増倍現象を利用して、光信号を増幅する能力をもった光受信モジュールの高感度化に有利な受光素子の総称。
※9TIA

Trans-impedance amplifier（トランスインピーダンス・アンプ）：フォトダイオードなどの微小電流信号を増幅するためには，入力バイアス電流が少なく，入力オフセット電圧やドリフトも小さなアンプを用いて I-V 変換するのが一般的。その際に多く用いられている回路方式は，反転アンプの入力にフォトダイオードを直接入力するトランスインピーダンスと呼ばれる方式。
※ 10 DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexing（高密度波長多重伝送）：高密度波長分割多重。1.6nm もしくは 0.8nm、0.4nm 間隔で波長多重する方式。多重波長数は、16 〜160 程度。幹線系の高性能な WDM システムに利用される。
※ 11 BER
Bit Error Rate（ビット誤り率）。

−（ 68 ）−

献（1）SFF Committee,“10 Gigabit Small Form Factor Pluggable（XFP）
Transceiver MultiSource Agreeement（MSA）”, Revision4.0、p1183（April 13, 2004）とを容易に光学結合させることができるレセプタクルタイ※8

文

85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発