超高速光送受信モジュールの構成例：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）（1/2 ページ）

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（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。