高性能光伝送モジュールに対する ソリューション 奥田 圭二 山口 高広 原野 康 広瀬 洋光 今日の情報通信ネットワークは従来の電話，ファクシ ミリ等のアナログ情報に加え，インターネットを中心と 集積化や組立工程での自動化に適しており，量産，低コ スト化に優位であるPLCを選択した。 した動画像などのデータ情報を含めた多彩な情報に対応 WDMフィルタは低コスト化を図るためポリイミドフィ することが求められている。このような通信トラフィッ ルタを使用している。ポリイミドフィルタをPLC単面に クの増大・多様化に対応するために通信ネットワークは 接着固定することによって，1.3μm帯の波長と1.5μm帯 図1に示す光ネットワーク網を用いた大容量化，高機能化 の波長を合分波している。ポリイミドフィルタはLWPF が推し進められている。 プリアンプ 沖電気は，この光ネットワーク網全体を構成するアク セス系ネットワーク，メトロネットワーク，バックボー WDMフィルタ PLC PD素子 ンネットワークのそれぞれのネットワークで大容量化，高 機能化および低通信料金化に必須な光通信用モジュール 群（ATM-PON用ONUモジュール，2.5Gb/sMINI-DIL 型LDモジュール，10Gb/sPD-TIAモジュール）をソ リューションとして提供しており，ここに紹介する。 "# $ Si基板（1） ファイバ Si基板（2） セラミック基板 LD素子 mPD素子 プラスチック パッケージ PD-LD 間距離 5mm ! 図1 光ネットワーク網 ATM-PON用ONU光モジュール ATM-PON用ONU光モジュールは高速・低料金アクセ スサービスを実現するためのソリューションである。図2 に，アクセス系双方向通信に用いられるATM-PON用 ONU光モジュールの構成と外観，表1にモジュールの仕 様を示す。1.3μm帯の波長と1.5μm帯の波長を合分波す るWDM（Wavelength Division Multiplex）光回路部に は，WDMフィルタを接着固定した光導波路（PLC; Planar Lightwave Circuit）を使用している。ここでは， ファイバカプラタイプや空間ビームタイプに比べ，小型 82 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 図2 ATM-PON用ONU光モジュール構造図および外観図 デバイス特集 ● 表1 項目 送信部 受信部 622.080Mb/s ONU光モジュールの仕様 記号 条件 最小値 光出力 P0 CW 1.6 しきい値電流 Ith − 中心波長 P0=1.6mW,RMS スペクトル半値幅 lc Dl 順方向電圧 Vf 動作電流 立ち上がり/立ち下がり 時間 平均値 最大値 単位 mW 40 mA 1350 nm P0=1.6mW,RMS(s) 2.1 nm P0=1.6mW 1.45 V Iop P0=1.6mW 80 mA tr/tf P0=1.6mW 0.5 ns 1280 モニタ電流 Im P0=1.6mW 200 1000 mA トラッキングエラー TRE Im=const. -1 1 dB 電源電圧 Vcc − 3.0 3.6 V kV/ W MHz -28 dBm 3.3 受光感度 R Pin=3mＷ,Vcc=3.3V 3.15 4.8 周波数帯域 BW 400 450 最小受光感度 Pmin 最大受光感度 Pmax -3dB,Pin=3mＷ 622Mb/s,NRZ BER=10-10,PRBS223-1 622Mb/s,NRZ BER=10-10,PRBS223-1 l=1550nm 反射減衰量 ORL （Long Wave Pass Filter） 仕様である。 ポリイミドフィルタはLWPF （Long Wave Pass l=1310nm -29 -6 -7 dBm -20 dB -10 dB の小型化を図り，低コスト化を達成することができた。 一方，光クロストークについては，特に，信号パワー Filter） 仕様である。ファイバから入力された1.5μm帯 の大きい送信部と微弱な信号を検出する受信部における， の受信波長はフィルタを通過し，受信用のPD（Photo 同時送受信を満足する必要があるので，送信波長である Diode）に受光され，一方，1.3μm帯の送信側LD 1.3μm帯の波長を受信部で十分に阻止する必要がある。 （Laser Diode） 信号光はフィルタによって反射し，ファ 本光モジュールは，PLCの受信側端面と受信用PD素子間 イバより出力される構成となっている。 ATM-ONU用光モジュールは，送信，受信を同時に駆 動させて使用することから，電気クロストーク，光クロ ストークの問題が発生する。今回紹介するモジュールは， にLWPFフィルタを接着固定し，かつ，PLCチップに迷 光防止用樹脂を塗布することによってクロストークの低 減を図った。 その他，分離構造により，個別部品ごとにおける歩留 電気クロストークの問題を回避するため，送信側のLD素 の管理を可能とし，モジュール全体の歩留の向上と工程 子と受信側のPD素子間を電気的に絶縁する，分離搭載構 管理の簡素化を図り，コストの削減，および，量産に向 造としている。従来，送信側LDと受信側PDは同一Si基板 けたモジュール提供を実現している。モジュール外形寸 上に搭載されていたため，電気クロストークを低減する 法は17.5（L）×12.2（W）×3.4（T）mmである。 には，LD素子-PD素子間の距離を十分に離すことや， GNDの強化等の対策が必要となり，小型，低コスト化の ATM-PON用ONU光モジュールの特性 実現が困難な構造であった。しかし，LD素子，モニタ用 図3に622Mb/s信号受信時の誤り率特性を示す。送受 PD素子を搭載した送信側Si基板（1）と受信用PD素子を 同時動作時の最小受光感度は，温度範囲-20℃∼+75℃に 搭載した受信側Si基板（2）を，絶縁体となるPLCを介し おいて-29dBm（BER=10-10）以下を得，この時のパワー てそれぞれ接続される分離構造とし，かつ，PLCに搭載 ペナルティは2dB以下となり，良好な特性を得た。ITU- したSi基板（1）とSi基板（2）を，セラミック基板を介 T G983で勧告された最小受光感度Class Bの仕様を十分 し，プリアンプと共にプラスチックパッケージへ搭載す に満足する結果である。受光感度については，0.85A/W， ることによって，電気的な絶縁性を強化することができ プリアンプを含む変動量±1dB以下（＠-20℃∼+75℃） たので，電気クロストークの問題を回避しながら，さら となり，安定した結果を得ている。モジュールの光出力 に，LD素子-PD素子間の実装距離の短小化，つまり，PLC 特性は，ファイバ出力P0＝1.6mW（＠25℃）に対し，ト 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 83 表2 品名 伝送速度 OL3902W 155.52Mb/s 製品ラインナップ 送信部 受信部 光出力 波長 電源電圧 波長 帯域 受光感度 1.6ｍW 1310nm 3.3V 1550nm 120MHz 12KV/W OL3907W 622.080Mb/s 1.6ｍW 1310nm 3.3V 1550nm 450MHz 3.15KV/W スケジュール CS 2/02 ES 12/01 CS 4/02 ES: Engineering Sample CS: Commercial Sample 10-3 LD非駆動 Error Bit Rate 10 LD駆動 -4 10-6 Class B 図4 OL3312N外観図 10-10 Fabry Pelot-LD 10-12 -34 -33 図3 -32 -31 -30 -29 Optical Power（dBm） -28 先球ファイバ ホルダ 樹脂 -27 誤り率測定結果（＠25℃） モニタPD Si-V 基板 ラッキングエラー±0.6dB以下（＠-20℃∼+75℃）の良 図5 好な結果を得た。モジュール内部の反射減衰量について は，送信波長における反射減衰量が-15dB以下，受信波 長における反射減衰量が-25dB以下となり，良好な結果 I-L CHARACTERISTICS 1.50 -40℃ 25℃ 85℃ を得た。 また，表2に製品ラインナップおよび開発スケジュール を示す。 2.5Gbps MINI-DIL型LDモジュール OL3312N断面図 Pf mW 1mW 0.75 図4に今回作製した2.5G LDモジュールOL3312Nの外 観図を示す。サイズは13.2×7.4×4.0mmで，MINI-DIL に準拠した寸法となっている。リードは平面実装に適し たフラットタイプを採用しており，ピッチは2.54mmであ る。図5はOL3312Nの断面図である。セラミック製の 0 50 If mA 100 パッケージ内に搭載したSi基板上で，パッシブアライメ ントによりLDチップおよび光ファイバの光結合を達成し ている。光ファイバは，パッシブアライメントでの高出 図6 OL3312N光学特性 構造を採用している。 力化のために先球加工を施している。また，ファイバか らの反射戻り光による光出力の悪影響を防止するため， 84 2.5Gb/s LDモジュールの特性 ファイバ先球部にARコートを施している。本構造ではLD 2.5Gb/sLDモジュールは，メトロ，バックボーンネッ チップがベアチップ実装なので封止の必要性が生じる。封 トワークで大容量化を実現するソリューションである。本 止の簡易化を目的として，パッケージは樹脂による封止 モジュールのサンプルを試作し特性を評価した。図6に 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 デバイス特集 ● OL3312Nの光学特性を示す。横軸は動作電流，縦軸は -40℃ -40℃ ファイバ光出力である。測定温度は，-40℃，+25℃， +85℃である。 表3にOL3312Nの特性一覧を示す。図6より，全測定 a tr:33.3PS、tf:73.3ps 温度において光出力1mWを満足しているのが確認できる。 b 25℃ 図7にOL3312Nの立ち上がり/立ち下がり状態およびア 25℃ イパターンを示す。測定温度は-40℃，+25℃，+85℃で ある。測定条件は，伝送速度2.5Gb/s，消光比14dB， NRZ方式，ランダムパターンが223-1，ピークパワーが d c tr:137.8ps、tf:80.0ps 1mWである。図6a，c，eに各測定温度に対する立ち上が 85℃ 85℃ り時間（tr），立ち下がり時間（tf）およびその波形を示 す。標準値150psに対し，問題のない値である。図6b， d，fは電気フィルタを挿入した際のアイパターンである。 failed samplesは全測定温度で0であり，良好なアイ開口 e tr:33.3ps、tf:160.0ps が得られている。 ・伝送速度：2.5Gb/s ・ NRZ方式 ・ピークパワー：1mW ・消光比：14dB 23 ・ランダムパターン：2 -1 今回，パッシブアライメントを用いて2.5GLDモジュー ルOL3312Nの作製を行った。試作評価の結果，良好な特 性が得られた。 f また，本技術を用いた他のLD製品を開発中である。表 図7 4に製品ラインナップおよび開発スケジュールを示す。 表3 OL3312N tr，tfおよびアイパターン OL3312N特性一覧 パラメータ 条件 最小値 ファイバ光出力 連続光 1 標準値 最大値 mW 150 mA 40 mA 1.5Ith-BOL mA 1360 nm nm 動作電流 閾値電流 中心波長 1.5 寿命始 寿命終 2.5Gb/s、ランダムパターン:223-1 1266 NRZ、ピークパワー:1mW 最大値 スペクトル線幅 光出力:1mW、平均二乗根 4 LD順方向電圧 光出力:1mW 1.5 V モニタ電流 光出力:1mW（室温/寿命始） 2000 μA 10-90% 立上がり / 立下がり時間 光出力:1mW 300 入力インピーダンス （室温∼最悪条件温度） PD暗電流 逆電圧:2.2V PD容量 逆電圧:2.2V サーミスタ抵抗 測定温度:25℃ dB 9 10 1.5 dB 1 μA 20 pF 11 kΩ K 3435 表4 開発スケジュール 品名 伝送速度 光出力 波長 LD OL3314L 10Gb/s 0.5mW 1310nm DFB OL3312N OL5311L Ω -1.5 サーミスタ抵抗のB定数 2.5Gb/s ps 25 6 反射損失 トラッキングエラー OL3311L 150 1mW 1310nm 1510nm FP DFB スケジュール 記事 ES 3/02 内蔵 CS 5/02 Bias T ES 11/01 内蔵 CS 5/02 Bias T ES: Engineering Sample CS: Commercial Sample 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 85 30 Response(dB) 25 20 15 10 5 0 0.1 1 10 Frequency(GHz) 図10 図8 周波数特性 10Gb/sPIN-AMPモジュール外観 Si Gel Resin Pig-tailed Fiber Bare Fiber Si-V Substrate PD-chip Fiber Cover Non-Hermetic Ceramic Package Gal Wing Lead 図11 出力波形 GaAs TIA 10-3 図9 10Gb/sPIN-AMPモジュール構造 10-4 10Gb/s PIN-TIAモジュール ある。図8に，今回開発した10Gb/s PIN-AMPモジュー ルの構成と外観を示す。モジュールの外形寸法は9.4mm× 10.25mm×2.15mmである。 図9に構造を示す。PKG内のインピーダンス整合が採ら れたマイクロストリップラインを形成したセラミック基 板上に，TIA，Si-V溝基盤等を搭載することにより構成さ れる。特徴はSi基板上にはPD搭載用のマーカを付け，ファ イバ搭載用V溝を形成することで，それぞれを無調心，レ ンズレスで搭載することを可能とした。 Bit Error Rate 10Gb/sPIN-TIAモジュールは，メトロ，バックボーン ネットワークで高速大容量を実現するソリューションで 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 これによりレンズによる結合を用いたバタフライタイ 10-11 プに比べ，小型集積化および，量産性，低コスト化の両 10-12 面から格段に優位となる。 -20 図12 86 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 -10 0 Optical Input Power [dBm] 誤り率特性 デバイス特集 ● 表5 項目 記号 波長 λ 受光感度 Rpd 10Gb/sPIN-AMPモジュール（OD9651N）仕様 最小値 条件 平均値 1280 最大値 単位 1580 λ=1550nm 0.7 0.8 nm A/W 周波数帯域 BW f3dB,Pin=-10dBm 7.0 7.5 GHz トランスインピーダンス Zt Pin=-10dBm,RL=50Ω 57 60 dBΩ 最大受光感度 Pmax 0 2 dBm 最小受光感度 Pmin 入力換算雑音電流密度 In 9.953Gb/s,NRZ PRBS2-31-1ber10-12 9.953Gb/s,NRZ, PRBS2-31-1ber10-12 -20 -18 dBm 10 12 pA/√Hz Average:0.5GHz∼BW 表6 PIN-AMP製品ラインアップ 品名 システム 伝送速度 帯域 最大受光感度 最小受光感度 OD9651N OC-192,STM-64 9.95328Gb/s 7.5GHz 0dBm -18dBm OD9652N 10.664Gb/s 8.5GHz -3dBm -17dBm OD9653N 12.5Gb/s 10GHz 0dBm -15dBm スケジュール CS 1/02 ES 1/02 CS 6/02 ES: Engineering Sample CS: Commercial Sample モジュール（リミッティングアンプ内蔵）や，更なる高 PIN-TIAモジュールの特性 速化に向けた40Gb/sの受信モジュールの開発を推し進め 図10に10Gb/s PIN-TIAモジュールの周波数特性を示 ているところである。 す。受光感度η=0.9A/W，トランスインピーダンスは ま と め 60.3dBΩと良好な特性が得られた。 図11に10Gb/s（NRZ, 擬似ランダムパターン（PRBS 31 光ネットワーク網における大容量化，高機能化および 2 -1）, Pin＝-10dBm, 消光比8.6dB）のPIN-TIAモ 低通信料金化へのソリューションの観点から，我々が開 ジュールの出力波形（Ta=+25℃, 20mV/div, 20ps/div） 発している光通信用部品の状況について紹介した。 を示す。これより，良好なアイ開口が得られていること 今後，光通信用部品は，低価格化，高機能化，高速化 にに加え，より機能を集積化する方向に進んでいくこと が確認できる。 31 図12に符号誤り率（10Gb/s, NRZ, PRBS 2 -1, 消 が予測される。 ◆◆ 光比8.6dB）の測定結果を示す。Ta=+0∼+70℃（■： +0℃, ▲：+25℃, ●：+70℃）の範囲で最小受光感度1 9 . 3 d b m （ B E R 1 0 -1 2 ）， 最 大 受 光 感 度 + 3 . 5 d b m （BER10-12）と温度変動に対しても安定した結果が得られ ており，広ダイナミックレンジでの受信が可能であるこ とがわかる。表5に10Gb/sPIN-TIAモジュール （OD9651N）の仕様を示す。 ラインナップと開発計画 我々は，10Gb/s（9.95328Gb/s,OC-192，STM- ●筆者紹介 奥田圭二：Keiji Okuda.オプティカルコンポーネントカンパニー アドバンストオプト部 山口高広：Takahiro Yamada.オプティカルコンポーネントカ ンパニー アドバンストオプト部 原野康：Yasushi Harano.オプティカルコンポーネントカンパ ニー アドバンストオプト部 広瀬洋光： Youkou Hirose.オプティカルコンポーネントカンパ ニー アドバンストオプト部 64）対応のOD9651N，10.7Gb/s（10.664Gb/s, FEC）対応のOD9652Nの2機種をリリースしている。さ らに12.5Gb/s対応のOD9653Nの試作を完了している。 表6に製品ラインナップおよび開発スケジュールを示す。 今後は高機能化に対してデータコム市場用ハイゲイン 沖テクニカルレビュー 2002年4月／第190号Vol.69 No.2 87