400Gbit/s用光トランシーバに搭載可能な8ch集積光受信モジュール

Size: px

Start display at page:

Download "400Gbit/s用光トランシーバに搭載可能な8ch集積光受信モジュール"

ひろとさどひら
5 years ago
Views:

情報通信 4Gbit/s 用光トランシーバに搭載可能な 8ch 集積光受信モジュール Optical Receiver Module with Integrated 8-ch Optical De-multiplexer for 4 Gbit/s Transceivers 川村 * 正信三井主成中山謙一 Masanobu Kawamura Kazuaki Mii Kenichi

4Gbit/s に対応した光トランシーバとして CFP8 が新たに策定されており市場ニーズが高まっている当社がこれまで開発してきた 4ch 集積光受信モジュールの設計をベースとして今回 8 波長の分波機能を 1 つのパッケージ内に集積した CFP8 に搭載可能な 4Gbit/s 用 8ch 集積光受信モジュールを開発した本稿ではモジュール構造 8 波長の分波特性 4

1 情報通信 4Gbit/s 用光トランシーバに搭載可能な 8ch 集積光受信モジュール Optical Receiver Module with Integrated 8-ch Optical De-multiplexer for 4 Gbit/s Transceivers 川村 * 正信三井主成中山謙一 Masanobu Kawamura Kazuaki Mii Kenichi Nakayama 大森寛康中島史博原弘 Hiroyasu Oomori Fumihiro Nakajima Hiroshi Hara 高速大容量通信が求められるクラウドサービスの普及に伴い 1Gbit/s 用光トランシーバである CFP4 や QSFP28 の普及が進んでいる次世代通信規格として IEEE にて 4GBASE-FR8/LR8 の標準規格が定められ CFP MSA にて 4Gbit/s に対応した光トランシーバとして CFP8 が新たに策定されており市場ニーズが高まっている当社がこれまで開発してきた 4ch 集積光受信モジュールの設計をベースとして今回 8 波長の分波機能を 1 つのパッケージ内に集積した CFP8 に搭載可能な 4Gbit/s 用 8ch 集積光受信モジュールを開発した本稿ではモジュール構造 8 波長の分波特性 4 値パルス振幅変調 (4-level Pulse Amplitude Modulation, PAM4) 信号を用いた変調速度 26.56Gbaud における最小受信感度等の特性を紹介する With the growth of cloud services that require high-speed communication, CFP4 and QSFP28 optical transceivers have been commonly used for 1 Gbit/s transmission. Along with an increase in the market need for higher-speed transmission beyond 1 Gbit/s, the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) published 4GBASE-FR8/LR8 as the nextgeneration communication standards, and the CFP Multi-Source Agreement (MSA) defined the CFP8 form factor of an optical transceiver to support 4 Gbit/s interfaces. Against this backdrop, we have developed a new optical receiver module for 4GBASE-FR8/LR8 CFP8. Using the conventional design for 1 Gbit/s, the module has an integrated 8-ch optical de-multiplexer. This paper describes the module structure, optical characteristics, and sensitivity in Gbaud PAM4 signal transmission. キーワード : 光受信モジュール 4G 光分波器 CFP8 1. 緒言近年スマートフォン等の携帯端末の高機能化に伴いクラウドテクノロジーを用いた動画音楽配信サービスの普及が進んでいるこれらのサービスでは端末 ~ 基地局間の無線通信ネットワークだけでなくそれらにつながる光通信ネットワークにおいても高速化大容量化が求 CFP4 92x21.5x9.5mm QSFP x18.5x8.5mm められており光通信ネットワークを構成する光送受信モジュールも小型化高速化が必須となっている現在伝送速度 1Gbit/sに対応した図 1に示す CFP4 1 やQSFP28 2 といった MSA 3 に対応した光トランシーバが普及期に入っているが次世代通信規格として 4GbEの標準化が IEEE にて進められている 215 年には伝送距離 2 ~1km 変調方式として PAM4 4 を用いた LAN-WDM 5 に対応した8 波長による波長多重方式が IEEE82.3bs (1) で勧告され 217 年には CFP MSA にて4Gbit/s に対応した光トランシーバとして CFP8が新たに策定されており 4Gbit/sに対応した光トランシーバへの期待は高まっている当社はこれまでに QSFP28に搭載可能な 1Gbit/s 用 4ch 集積光受信モジュール (2)(3) や 2Gbit/s 用 4ch 集積光受信モジュール (4) を開発してきた今回 8 波長の分波機能を1つのパッケージ内に集積することで従来品と同等な低挿入損失を実現した CFP8に搭載可能な4Gbit/s 用 8ch 集積光受信モジュールを開発した図 1 1Gbit/s 用光トランシーバ 32 4Gbit/s 用光トランシーバに搭載可能な 8ch 集積光受信モジュール

5mm 図 4 1:8 光分波器の構造 8ch 集積光受信モジュール図 2 4Gbit/s 用光トランシーバと光受信モジュール光受信モジュール内の構成を図 3に示す波長多重化された入力光信号はコリメートレンズで平行光に変換しパッケージ内の1:8 光分波器にて8 波長の光信号に分波されミラーにてパッケージ底面方向へ光軸を変えた後レンズアレイによって集光されPDへ結合する 1:8

2 2. 8ch 集積光受信モジュールの構成 8ch 集積光受信モジュールの外観を図 2に示す今回開発した光受信モジュールのパッケージサイズは22.3mm 12.mm 5.3mm と CFP8に搭載可能なサイズを実現しているまた従来の1Gbit/s 用 4ch 集積光受信モジュールと類似の形状設計を採用することで既存の量産ラインとの親和性の高い設計としているショートパスフィルタ 8 波多重光信号ミラープリズムミラー 1:4 光分波器バンドパスフィルタ 1:4 光分波器 CFP mm 図 4 1:8 光分波器の構造 8ch 集積光受信モジュール図 2 4Gbit/s 用光トランシーバと光受信モジュール光受信モジュール内の構成を図 3に示す波長多重化された入力光信号はコリメートレンズで平行光に変換しパッケージ内の1:8 光分波器にて8 波長の光信号に分波されミラーにてパッケージ底面方向へ光軸を変えた後レンズアレイによって集光されPDへ結合する 1:8 光分波器は図 4に示すように 2つの対応する波長の異なる1:4 光分波器ショートパスフィルタ (Short pass filter, SPF) ミラーで構成されている 1:8 光分波器に入射した光信号は SPF にて短波側 4 波長群 ( nm~ nm) と長波側 4 波長群 ( nm ~139.14nm) に分波したのち各々に対応した1:4 光分波器に入射する 1:4 光分波器は所定の波長のみを透過するバンドパスフィルタ (Band pass filter, BPF) とミラーが対向するように構成されており各 Laneに対応した波長の光信号のみを透過その他の波長の光信号は反射を繰り返すことで波長多重化された光信号を分波する IEEE82.3bsにて規定されている4GbEの規格ではレセプタクル光分波器レンズアレイフレキシブル基板 5Gbit/s 超の伝送速度を実現するために従来のNRZ (Non-Return to Zero) 信号ではなく PAM4(4-Level Pulse Amplitude Modulation) 信号を用いる変調方式が採用されている PAM4 変調された8つの光信号は PDにて光電変換されトランスインピーダンスアンプ (Transimpedance amplifier, TIA) にて増幅された後パッケージ及びフレキシブル基板の高周波伝送線路を経由して光受信モジュールから出力される 3. 開発目標仕様表 1に目標仕様となる IEEE82.3bsで規定されている 4GBASE-FR8/LR8の規格を示す表 1 目標仕様項目 4GBASE-FR8 4GBASE-LR8 変調速度 Gbaud 変調方式 PAM4 Lane nm Lane nm Lane nm 中心波長 Lane nm Lane nm Lane5 13.5nm Lane nm Lane nm オーバーロード (OMA) <5.7dBm 最小受信感度 (OMA) >-5.3dBm >-7.1dBm 反射減衰量 >26dB コリメートレンズ図 3 PD TIA 光受信モジュールの構造 4. 光受信モジュール特性 4-1 光学特性 8ch 集積光受信モジュールの分波特性を図 5に各 Lane の受光感度アイソレーション反射減衰量を表 2に示す 218 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 193 号 33

3 IEEE82.3bsで規定されている8 波長は短波側 4 波長と長波側 4 波長の間に1 波長分の空間を設けて規定されてい 1 Lane Lane1 Lane2 Lane3 Lane4 Lane5 Lane6 Lane7 る今回新たに設計した SPFを用いた低損失な1:8 光分波器では全 Lane において挿入損失 1dB 以下アイソレーション25dB 以上反射減衰量 26dB 以上の良好な特性が得られている ΔResponsivity [db] Responsivity [A/W] L L3 L4 L Wavelength [nm] 挿入損失 1dB ΔIsolation [db] Tcase [ ] 4 Lane Long Lane1 Short Lane1 Long Lane2 Short Lane2 Long Lane3 Short Lane4 Long Lane5 Short Lane5 Long 2 Lane6 Short Lane6 Long Lane7 Short -2 図 5 分波特性 Tcase [ ] 表 2 光学特性一覧図 6 分波特性の温度依存性受光感度 [A/W] アイソレーション [db] 反射減衰量 [db] Lane.658 長波側 Lane1.628 Lane2.641 短波側 31.7 長波側 29.2 短波側 28.6 長波側 Lane3.655 短波側 Lane4.642 長波側 Lane5.664 Lane6.726 短波側 29.9 長波側 3.3 短波側 29.8 長波側 OE Response [db] Lane Lane1 Lane2 Lane3 Lane4 Lane5 Lane6 Lane Lane7.68 短波側 Frequency [GHz] 図 7 周波数特性受光感度とアイソレーションの温度依存性を図 6に示すパッケージ温度 -2~+9 の範囲で受光感度変動は ±.1dB 以内アイソレーション変動も ±1dB 以内と安定した特性が得られている 4-2 周波数特性 8ch 集積光受信モジュールに使用しているパッケージは高速伝送に対応するため高周波伝送線路を最適化するにあたり各 Lane の特性差をなくすとともに相互からのクロストークを低減するよう最適化している図 7に示すように透過特性の-3dB 帯域は2GHz 以上得られているまた各 Lane 間のばらつきも少なくフラットな特性が得られている 4-3 クロストーク特性光コンポーネントアナライザを用いて Lane6 以外に該当する波長の信号光 (Lane,1,2,3,4,5,7,) を入力した際の Lane6の電気出力の周波数特性を図 8に示す隣接 Lane である Lane5と Lane7からの影響が他 Lane と比較して大きいがクロストーク量は25GHz で -3dB 以 34 4Gbit/s 用光トランシーバに搭載可能な 8ch 集積光受信モジュール

4 Crosstalk [db] from Lane from Lane1 from Lane2 from Lane3 from Lane4 from Lane5 from Lane6 from Lane Gbaud (PRBS2 31-1) PAM4 変調した光信号を入力した際の符号誤り率特性は前方誤り訂正前では最小受信感度は -13dBm( 符号誤り率 = ) 前方誤り訂正後でも最小受信感度は-13dBm( 符号誤り率 = ) と安定した4Gbit/s 伝送が可能な特性を示している Frequency [GHz] 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 1 CFP/CFP4/CFP8 C Form-factor Pluggable:1~4Gbit/s 用トランシーバの業界標準の一つ CFP8では 5Gbit/sの光信号を図 8 クロストーク特性 8Lane 束ねることで 4Gbit/s の伝送速度を実現する下となっておりクロストークの影響は非常に小さい特性が得られている 4-4 最小受信感度変調速度 26.56Gbaud(PRBS2 31-1) PAM4 変調した光信号を入力した際の符号誤り率特性を図 9 に示す前方誤り訂正前では最小受信感度は -13dBm( 符号誤り率 = ) 前方誤り訂正後でも最小受信感度は -13dBm ( 符号誤り率 = ) と 4GBASE-FR8/LR8 双方の規格を満たす良好な特性が得られている Bit Error Rate Input power OMA [dbm] 図 9 Lane4 pre FEC Lane6 pre FEC Lane4 post FEC Lane6 post FEC 5dB 符号誤り率 Lane5 pre FEC Lane7 pre FEC Lane5 post FEC Lane7 post FEC 2 QSFP28 Quad Small Form-factor Pluggable:1~4Gbit 用トランシーバの業界標準の一つ QSFP28 では 25Gbit/s の光信号を 4Lane 束ねることで 1Gbit/s の伝送速度を実現する 3 MSA Multi Source Agreement: モジュールサプライヤーによる部品仕様の共通規格 4 PAM4 変調方式 4-level Pulse Amplitude Modulation:1 シンボルあたり 2 ビットの情報を伝送可能な 4 値パルス振幅変調方式 5 LAN-WDM Wavelength Division Multiplexing の方式の一つ LAN- WDM は 8GHz 間隔で波長多重する参考文献 (1) (2) 川村正信 4G/1Gbit/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 (215 年 1 月 ) (3) Fumihiro Nakajima, 1 Gbit/s Compact Receiver Module with the Built-in Optical De-Multiplexer, IEEE Photonics conference 213, TuG3.1 (4) 中島史博高速 (1G/2G/4G) 高感度 APD チップ搭載 4ch 集積受信デバイス SEI テクニカルレビュー第 192 号 (218 年 1 月 ) 5. 結言次世代 4Gbit/s 用光トランシーバCFP8に搭載可能な8ch 集積光受信モジュールを開発した 8 波長の分波機能を1つのパッケージ内に集積することで挿入損失 1dB 以下と従来品と同等な低損失を実現した変調速度 218 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 193 号 35

5 執筆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川村正信 * : 伝送デバイス研究所主査三井主成 : 伝送デバイス研究所主査中山謙一 : 伝送デバイス研究所大森寛康 : 伝送デバイス研究所主席中島史博 : 住友電工デバイスイノベーション博士 ( 科学 ) 原弘 : 伝送デバイス研究所グループ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 36 4Gbit/s 用光トランシーバに搭載可能な 8ch 集積光受信モジュール

40G/100Gbit/s 用光分波器集積小型光受信モジュール Compact Receiver Module with Integrated Optical De-multiplexer for 40 Gbit/s and 100 Gbit/s

40G/100Gbit/s 用光分波器集積小型光受信モジュール Compact Receiver Module with Integrated Optical De-multiplexer for 40 Gbit/s and 100 Gbit/s 情報通信 4G/1Gbit/s 用光分波器集積小型光受信モジュール Compact Receiver Module with Integrated Optical De-multiplexer for 4 Gbit/s and 1 Gbit/s 川村 * 正信中島史博大森寛康 Masanobu Kawamura Fumihiro Nakajima Hiroyasu Oomori 原弘矢崎厚志 Hiroshi