100Gbpsを超える光ファイバー高速伝送へのアプローチ：福田昭のデバイス通信（156） imecが語る最新のシリコンフォトニクス技術（16）（1/2 ページ）

今回は、100Gビット/秒（bps）と極めて高速な変調信号を光ファイバーで伝送する実験結果を紹介する。

[福田昭，EE Times Japan]

NRZ符号をEA変調器によって100Gbpsでオンオフ変調

　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、光信号を電気信号に変換する「光検出器」の構造と性能を解説した。今回は、100Gビット/秒（bps）と極めて高速な変調信号を光ファイバーで伝送する実験結果をご紹介する。

　始めは、疑似ランダムビット列（PRBS：Pseudo Random Bit Sequence）のNRZ（Non Return to Zero）符号を100Gbpsで光変調し、光ファイバーによって信号伝送を試みた結果である。

　光信号の変調には、ゲルマニウムシリコン（GeSi）化合物半導体の電界吸収変調器（EAM：Electro-Absorption Modulator）を使用した。変調方式はオンオフ変調（OOK：On-Off-Keying）である。EAMへの電気信号は、25GbpsのPRBSをFPGAによって4チャンネル発生し、これらをマルチプレクサで100Gbpsにまとめたもの。光ファイバーは、長さが500mの標準シングルモードファイバー（SSMF：Standard Single Mode Fiber）と、長さが2kmの分散シフトファイバー（DSF：Dispersion Shifted Fiber）である。

　光検出器には、ゲルマニウム（Ge）とシリコン（Si）のヘテロ接合フォトダイオードを採用した。フォトダイオードの出力信号を、デマルチプレクサによって25Gbpsの4チャンネル信号に分割し、受信データのビット誤り率をカウントしている。

　光伝送実験で重要なのは、ビット誤り率（BER：Bit Error Rate）と光受信電力、受信信号波形である。光受信電力を小さくすると、通常はビット誤り率（BER）が増加する。光受信電力、言い換えると光送信電力は、なるべく小さくしたい。誤り訂正回路によって実用的な領域にまで誤り率（訂正前の誤り率）が下がったときの光受信電力をどの程度まで小さくできるかが、ポイントとなる。

　実験では、直接接続（B2B：Back to Back）、SSMF（500m）、DSF（2km）で誤り率と信号波形を比較した。SSMFでは光受信電力が2dBm（1.6mW）以上、DSFでは光受信電力が5dBm（3.2mW）以上になると、誤り率を許容範囲にまで下げることができた。

疑似ランダムビット列（PRBS）のNRZ符号を100Gbpsで光変調し、光ファイバーによる信号伝送を試みた実験の概要。左上は実験のセットアップ。左下はIII-V族化合物半導体（個別部品）のフォトダイオードによる100Gbps光信号の受信波形。中央下は、光受信電力とビット誤り率（BER、誤り訂正前）の関係。硬判定の前方誤り訂正（HD-FEC：Hard-Decision Forward Error Correction）回路によって訂正可能な領域にまでBERを下げられる受信電力を目安とした。右上は電界吸収変調器（EA変調器）の断面構造と顕微鏡観察画像。右下はEA変調器で送信し、GeとSiのヘテロ接合フォトダイオードで受信した100Gbps光信号の波形。出典：imec（クリックで拡大）