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» 2018年09月04日 09時30分 公開

福田昭のデバイス通信(161) imecが語る最新のシリコンフォトニクス技術(21):超高速光送受信モジュールの構成例 (1/2)

今回は、超高速光送受信器(光送受信モジュール)の構成例を紹介する。

[福田昭,EE Times Japan]

4チャンネルで100Gbpsの伝送帯域を実現するモジュール

 半導体デバイス技術に関する国際会議「IEDM」では、カンファレンスの前々日に「チュートリアル(Tutorial)」と呼ぶ技術セミナーを開催している。2017年12月に開催されたIEDMでは、6件のチュートリアルが開催された。

 その中から、シリコンフォトニクスに関する講座「Silicon Photonics for Next-Generation Optical Interconnects(次世代光接続に向けたシリコンフォトニクス)」が興味深かったので、その概要をシリーズでお届けしている。講演者は、ベルギーの研究開発機関imecのJoris Van Campenhout氏である。

 なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

 前回は、光送受信器(光トランシーバー)の構造(アーキテクチャ)と性能向上(スケーリング)手法を解説した。今回は、超高速光送受信器(光送受信モジュール)の構成例をご紹介する。

 前回で説明したように、光送受信器(光トランシーバー)は、光源である半導体レーザー(単体あるいはアレイ)とやシリコン光導波路、シリコン光変調器、光変調用シリコンCMOS回路チップ、光受信器(フォトダイオード)、光ファイバー(単体あるいはアレイ)などで構成される。そして光送受信器の性能(伝送帯域)は、高速化と多値化、多チャンネル化によって向上する。

 始めは、4チャンネル(4レーン)の光送受信チャンネルによってNRZ形式の光信号を100Gbpsの速度で伝送するモジュールの構成例を紹介しよう。2つの例がある。1つは、各チャンネルに1本の光ファイバーを割り当てる方式(PSM:Parallel Single Mode fiber)である。もう1つは、各チャンネルで異なる波長の光信号を割り当てる方式(CWDM:Coarse Wavelength Division Multiplexing)である。

 PSM方式の光送受信モジュールを、送信側から説明しよう。光送信器では、1波長の半導体レーザーの光をシリコン光導波路の分波器で4チャンネル(4レーン)の光信号に分割する。各チャンネルにマッハツェンダ型光変調器(MZ光変調器)を設けており、オンオフ変調をかける。そしてチャンネルごとに1本のシングルモード光ファイバーによって光信号を伝送する。つまり、4本の光ファイバーで送信する。光受信器では、4個のフォトダイオードによって各チャンネルの光信号を電流信号に変換して検出し、トランスインピーダンスアンプ(TIA)を介して電圧信号として受信する。

 4チャンネルの光送受信チャンネルによってデータを高速伝送するモジュールの構成例 4チャンネル(4レーン)の光送受信チャンネルによってデータを高速伝送するモジュールの構成例。左はPSM方式(上が送信側、下が受信側)。右はCWDM方式(上が送信側、下が受信側)。いずれも1チャンネル(1レーン)当たりに25Gbpsの速度でNRZ形式の光信号を送受信する。信号の形式をPAM-4形式に変更すると、1チャンネル当たりの速度は50Gbpsと2倍に増やせる 出典:imec

 次にCWDM方式の光送受信モジュールを、送信側から説明しよう。光送信器では、出力波長の異なる4個の半導体レーザーから、4チャンネル(4レーン)の光信号を出力する。これらの光信号に対し、各チャンネルでマッハツェンダ型光変調器(MZ光変調器)によってオンオフ変調をかける。そして、光マルチプレクサによって1本の光ビームにまとめ、1本の光ファイバーによって4チャンネルの光信号を伝送する。光受信器では、シリコン光導波路のデマルチプレクサで、光ビームを4チャンネルの光信号に分割する。分割した光信号を4個のフォトダイオードによって検出し、TIAを介して電圧信号として受信する。

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