40Gbit/s-EA変調器集積DFBレーザ 立花 啓悟 久保田 宗親 近年の光通信は，IP電話や音楽に代表される音声配信， 動画配信，さらには電子商取引等さまざまなサービスが よびバリア層を最適化し，高出力化を計った｡ EA部は，40Gbit/sという高速応答を実現するために， 提供されており，通信トラフィック量は，ムーアの法則 素子容量（p-i-n接合容量，電極寄生容量）の低減が必須 を上回るスピードで増大しており1），光通信システムの大 となる｡ 容量化が求められている｡高速・大容量化に対応するため， p-i-n接合の容量は，①ノンドープ層厚を厚くすること， 伝送速度10Gbit/sの光通信システムが急速に普及してき ②吸収層幅を狭くすること，③EAの共振器長を短くする て お り ， 波 長 分 割 多 重 （ Wavelength Division ことで低減できる｡しかし，p-i-n接合容量低減と消光比は Multiplexing：WDM）化が進んでいる。一方，1チャン トレードオフの関係にある｡そこで，単位長さあたりの吸 ネルあたりの伝送速度を高速化した，40Gbit/sシステム 収量を大きくするために，低電圧で吸収端のシフト量が 市場が立ち上がり始めてきている。この市場に対して，こ 大きくなるQCSE （Quantum Confined Stark Effect） れまで，我々は40Gbit/sの短距離のVSR（Very Short 効果を利用し，さらに，EA変調器の吸収層のバンド Reach）市場対応の40Gbit/sトランスポンダ用の電界吸 ギャップ波長とLD発振波長の差（ディチューニング量） 収型（Electro Absorption：EA）変調器を開発し，商品 を小さくすることによって，p-i-n接合容量が低減しても， 化してきた。 消光比を維持できるように吸収層を最適化した｡ 40Gbit/sトランスポンダにおいても，10Gbit/s同様に 次に，電極寄生容量に関しては，電極面積を小さくし， 小型，低消費電力化が進んできており，EA変調器と光源 さらにその下に低誘電率のポリイミド樹脂で埋め込むこ である分布帰還型半導体レーザ（Distributed Feedback とによって低減した｡ laser：DFB-LD）をモノシリックに集積し，1パッケー ジ内に実装したデバイスの実現が望まれている。 LD部 今回，我々は，EA変調器とDFB-LDをIn P基板上にモ ノシリック集積化したEML（Electro-absorption Modulator Integrated Laser Diode） ，およびそれを内 部に実装した光ファイバ付きのEMLモジュールの 分離領域部 HR EA部 40Gbit/s動作化に成功し，良好な40Gbit/s特性，低消費 電力動作を得ることができたので報告する。 AR 素子構造・設計 図1 EML素子構造図 図1に作製したEMLの素子構造を示す。素子は，EA変 調器と半導体レーザが光軸方向にモノリシックに構成さ れており，EA部とLD部の間には，EA部とLD部の電気的 クロストークを低減させるため分離領域部を形成した｡ また，40Gbit/s用デバイスとして高速応答に適している リッジ構造を採用した｡ LD領域は，単一波長動作を有するDFB構造を採用し， 活性層には多重量子井戸構造を採用し，そのウェル層お 82 OKIテクニカルレビュー 2007年10月／第211号Vol.74 No.3 モジュールの構成 EMLモジュールの外観写真を写真1に示す。ファイバを 除く本体の外形寸法は21×13×10mmであり，従来のEA 変調器の本体と同一の大きさである。パッケージ側面か ら信号用の高周波コネクタであるVコネクタと7pinの デバイス特集 ● 高速動作に関しては，伝送損失の低減と，インピーダ ンスミスマッチによる反射を低減させることが必要である。 このため，電気信号の入力については，Vコネクタを使 用し，パッケージ内部の高周波伝送路にはマイクロスト リップラインを構成し，ラインの幅を最適化した。 D C 特 性 モジュールの特性について説明する。 写真1 モジュール外観写真 図3に電流 ― 光学特性（I-L特性）を示す。TEC温度35℃， 60mAの条件で3.5mW以上の光出力が得られており， EML素子の出力から見積もると約70%と十分な光結合効 率が得られていることが確認できた。 − TEC ＋ Thermistor 10 LD EA Lenz Fiber 50Ω V-connector (Female) Output Power [mW] PD Tchip=35℃ Vea=0V 8 6 4 2 図2 モジュール構造図 0 リード線が出ている。図2に内部構造図を示す｡モジュール 0 内部の構造はEML素子とモニタ用フォトダイオード 20 40 60 80 100 Injection Current [mA] （ Photo Diode）， サ ー ミ ス タ ， 熱 電 子 冷 却 素 子 図3 電気-光学特性 （Temperature Electric Controller：TEC）よりなる温 度制御回路，および非球面レンズで構成されている｡ 今回のモジュール設計においては低消費電力と40Gbit/s の高速動作を目標としている。 EMLは，EAとLDが集積化されているため，EAのフォ 図4はLD電流値を一定にしたときのEA部の消光特性を 示している。静的消光比は0∼−3Vで20dBと大きな値が 得られている｡ トカレントの発熱に加えて，LDによる発熱もあり，従来 -5 雰囲気温度0∼75℃で動作させた時に消費電力が最小にな るよう最適なTECを採用し，低消費電力化した。 さらに，レンズ結合系は非球面の2枚レンズ系を用いる ことで，EML素子から出射される光のモード分布と高結 合効率が得られるようにし，低駆動電流で所望の光出力 が得られるようにした。 加えて，EA部においては信号ラインの終端に50Ω抵抗 とキャパシタを組み合わせることで，EAにDCバイアスが かけられるような回路 （Bias-T）を構成した。これによ り，AC終端の形でマッチングを取ることで反射による信 Extinction Ratio [dB] のEA変調器モジュールに比べて熱負荷は増大するため， Ⅰld=60mA 0 5 10 15 20 25 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 Applied Voltage [V] 号の劣化を防ぐとともに，50Ω抵抗による発熱を抑える ことで低消費電力化を実現している｡ 図4 消光特性 OKIテクニカルレビュー 2007年10月／第211号Vol.74 No.3 83 図5は，今回開発したEMLモジュールと従来のEAMモ ジュールのTEC消費電力について比較したグラフである｡ 次に，40Gbit/s-NRZ変調評価結果について述べる。 図7に40Gbit/s変調評価系を示す。 素子の温度設定が25℃から35℃になったこと，TECを含 9.95328Gbit/s む熱設計を最適化したことにより，0∼75℃でのTECの 39.81312Gbit/s 最大消費電力（雰囲気温度75℃）を1.7Wから0.7Wへと 4CH PPG 60%低減を実現した。 4:1 Mux Driver RF in TEC Consumption[W] 2 clock EML EAM 1.5 Oscilloscope DC in 1 図7 40G変調評価系 0.5 LDの駆動電流は60mA，EAバイアス電圧は−1.5Vに設 0 0 20 40 Temperature[℃] 60 80 定し，RFの入力信号はビットレート39.81312Gbit/s， 振幅2.6Vpp，信号列は，31段擬似ランダム信号（PRBS [Pseudo-random binary sequence] 231-1）を用いた｡ EML : ILD=100mA,Vea=-1.5V EAM : Pin=13dBm,Vea=-1.5V ここでRFの信号は，4段の9.95328Gbit/sのPPG出力を 多重化して作った信号をNarda社製ドライバFO-MDA- 図5 TEC消費電力比較 40-132）でアンプしている。図8に（a）電気入力波形， （b）光出力波形を示す。（b）のマスクにはITU-Tで規定 変 調 特 性 図6にEO周波数応答特性を示す｡動作速度の指標である 3dB帯域のカットオフ周波数は，40GHz以上あり， 40Gbit/sでの変調動作に十分適用可能な周波数特性が得 られた。 3 E/O Response [dB] 0 (a)電気入力波形 -3 -6 -9 Ⅰld=60mA Vb=-1.0V -12 -15 0 10 20 30 Frequency [GHz] 図6 周波数応答特性 40 50 (b)光出力波形 図8 40Gbit/s-NRZ変調波形 84 OKIテクニカルレビュー 2007年10月／第211号Vol.74 No.3 デバイス特集 ● されているSTM256/OC768を用いた｡ 変調特性は，平均光出力1.5dBm，消光比9.2dB，得ら れており，ITU-Tの規格を十分満たす特性が得られている。 さらに，マスクマージンは13%あり，良好なアイパターン 開口を得た｡ ●筆者紹介 立花啓悟：Keigo Tachibana. オプティカルコンポーネントカ ンパニー 開発部 光通信第二チーム 久保田宗親：Munechika Kubota. オプティカルコンポーネント カンパニー 開発部 光通信第一チーム 信頼性試験 表1に信頼性試験の結果一覧を示す。 信頼性試験は，Telcordia（GR-468）に準拠し，モ ジュールの信頼性に問題が無いことを検証した｡ 表1 信頼性結果 信頼性項目 判定 Mechanical Shock & Vibration PASS Thermal Shock PASS Solder ability PASS fiber pull ,twist , side pull PASS High Temp Storage PASS Damp Heat PASS Temp Cycling PASS Accelerated Aging PASS RGA PASS ESD PASS ま と め 40Gbit/sトランスポンダ用光源として，EA変調器と DFBレーザをモノシリックに集積した40Gbit/s-EMLモ ジュールを開発した｡EML素子設計におけるLD部分，EA 変調器部分の構造パラメータの最適化，および最適なTEC 選定やAC終端による低消費電力化，非球面レンズによる 高結合効率化，高周波伝送路の最適化を実施した。その 結果，40Gbit/s NRZ動作において，平均光出力1.5dBm， 動的消光比9.2dB，マスクマージン13%の良好な変調動 作特性を得ることができ，TECの最大消費電力は従来と 比較して60%低減することに成功した｡ ◆◆ ■参考文献 1）http://www.jpix.co.jp/jp/techncal/traffic.html 2）http://www.nardamicrowave.com/east/pdf/OC768EA.pdf OKIテクニカルレビュー 2007年10月／第211号Vol.74 No.3 85