次世代ネットワークを拓く複合機能集積PLC技術

複合機能集積光モジュール
光ネットワークを支えるPLCデバイス技術
マルチチップPLC集積技術
光レベル調整機能付AWG
次世代ネットワークを拓く複合機能集積PLC技術
か ね こ
あきまさ ど い よしゆき
金子 明正 /土居 芳行
次世代光通信ネットワークでは，さまざまな機能を持つ光部品が従来より
や ま だ
も小型かつ低コストであることが求められています．NTTフォトニクス研究
山田
所で研究開発を進めてきた石英系プレーナ光波回路（PLC）技術は，小型，
量産性に優れており，市場要求を満足する有力な技術として期待されていま
た む ら
たかし
お が わ
い く お
貴 /小川 育生
やすあき
田村 保暁
す．本稿では異なる機能を持つ石英PLCをマルチチップPLC集積技術により
集積化した複合機能集積光モジュールの最新動向について紹介します．
複合機能集積PLCモジュール
NTTフォトニクス研究所
ダ（MZ: Mach-Zehnder）干渉計で
実現されるVOA，波長無依存カプラ
NT T研究所では，高密度波長多重
（ WINC: Wavelength Insensitive
通信（DWDM: Dense Wavelength
Coupler）を用いた光タップ回路，モ
Division Multiplexing） 用 途 の高
ニタフォトダイオード（PD: Photo
機能光モジュールを小型，かつ，低コ
Diode）
，AWG合分波フィルタとこれ
ストに実現する実装・プラットフォー
らの光部品をインテリジェントに制御
ム技術として，複数のプレーナ光波回
する電子制御ボードから構成されてい
路
（PLC: Planar Lightwave Circuit）
ます．
VOA
AWG
タップ回路
●
●
●
を直接接続するマルチチップPLC集積
NT Tフォトニクス研究所では，マル
技術を提案し，さまざまな検討を行っ
チチップPLC集積技術の最初の適用
(1)
モニタPD
図１ 光レベル調整機能付AWG
（V-AWG）
てきました ．この技術により，モノ
先として，V-AWGの研究開発を精力
リシック集積化された光回路では大き
的に進めてきました ．マルチチップ
な問題となっていた歩留まりの低下や
PLC集積技術は，従来必要であった
MSA（ Multi Source Agreement） で
汎用性がない点は容易に解決され，ま
ファイバ取り回しのスペースやファイ
定められたモジュールサイズのわずか20
た各機能を持つ個別光回路は，最適
バどうしを融着接続した部分の収納ス
分の１で同一機能を実現することに成
な設計と最適な製造条件を用いて製造
ペースを不要とするため，モジュール
功しました．
することができるため，より高性能な
サイズを大幅に小型化することが可能
またAWGには温度調整回路が不要
モジュールを実現可能となります．
です．また小型化に有利な高屈折率差
なアサーマルAWGを採用し，VOAに
複合機能を集積したPLCモジュール
（Δ）を持つ光導波路を用いた場合，シ
は断熱溝構造を最適化した低消費電
で最初に実用化されたものが，図１に
ングルモードファイバとの接続点が減
力構造を採用した結果，最大消費電
示 すような光 可 変 減 衰 器 （ V O A :
るため，挿入損失も全体としては大幅
力も制御ボードに必要な電力を含め
Variable Optical Attenuator） と
に改善するというメリットがあります．
て，わずか0.8,Wまで低減することに
(2)
アレイ導 波 路 型 回 折 格 子 （ A W G :
実際に作製した超小型８チャネル
成功しています．さらに光学特性は挿
Arrayed Waveguide Grating）波長合
V-AWGモジュールの内部構造写真と
入損失５dB，波長依存損失（PDL:
分波フィルタを組み合わせた光レベル
透過スペクトル特性を図２，３に示し
Polarization Dependent Loss）は
調整機能付AWG（V-AWG）です．こ
(3)
ます ．
15,dB減衰時に0.4,dB以下と実用上
のモジュールは，熱光学（TO: Thermo
モジュールサイズは，70×45×14 mm
十分な特性を持っており，V-AWGが
Optic）効果を利用したマッハツェン
と非常に小型であり，業界標準規格の
従来から適用されていた基幹系ネット
20
NTT技術ジャーナル 2005.5
特
集
（dB）
0
ー10
制御ボード
ー20
FFC
モニタ
PD
透 ー30
過
率 ー40
ー50
VOA＋タップ
Shut-off
ー50
AWG
10 mm
ー60
1548
接続部
1550
1551
1552
波長
1553
1554
1555
1556
（nm）
図３ 超小型8チャネルV-AWGモジュールの
透過スペクトル特性
図２ 超小型８チャネルV-AWG モジュールの内部構造
AWGチップ
1549
スイッチチップ
パス切替部
ゲートスイッチ部
(a) 内部構成
(b) Compact PCI準拠DWCSボード外観
図４ 32チャネルダイナミック波長チャネルセレクタ（DWCS）
ワークだけでなく，低消費電力や小型
チの駆 動 電 流 を0 . 5 , m s 以 下 で切 り
であり，制御ボードを含むボード全体
な複合機能集積モジュールを必要とし
替 えられる駆 動 回 路 を組 み込 んだ
のサイズも235 ×160 ×40,mm（６U，
ているメトロネットワークへの適用も
Compact PCI（ Peripheral Compo-
２スロット幅）と比較的小型なボード
今後期待されています．
nent Interconnect） 規 格 準 拠 の
を実現できました．挿入損失は5.8∼
DWCSボードと内部構成を図４に示
7.2,dB，隣接チャネルクロストークは
します．
−35,dB以下と実用上十分な性能で
続いて，AWGと32 ×１光スイッチで
構成される32チャネルダイナミック波
長チャネルセレクタ（DWCS: Dynamic
AWGと光スイッチは，小型化を実
した．今後，ゲートスイッチの段数を
Wavelength Channel Selector）にマ
現するため最小曲げ半径２mm以下を
増やすことでさらなる低クロストーク化
ルチチップPLC集積技術を適用した研
実 現 可 能 な1 . 5 ％ Δ 導 波 路 と し，
も十分可能です．またチャネル切り替
AWG部はフィルタリングによるスペク
え時間は２ms以下と優れた特性を実
DWDM信号の任意の１波長を選択
トル歪みを抑制するため，フラットトッ
現しました．
的 に透 過 することができるため，
プAWGを採用しました．またスイッチ
DWDMネットワークではネットワーク
部には消光比を改善するため，各入力
の品質管理に必須である多チャネル光
ポートに１段のゲートスイッチを接続
モニタを小型かつ低コストに実現する
した５段ツリー構成の32 ×１光スイッ
マルチチップPLC集積技術は，これ
ことが可能となります．
チを使用しました．光モジュール部分
まで紹介してきた石英系PLCどうしの
のサイズは24 × 64,mmと非常に小型
複合機能集積モジュールを実現するだ
（4）
究成果を紹介します
．DWCSは，
A W G の温 度 調 整 回 路 と光スイッ
複合機能集積ハイブリッド
PLCモジュール
NTT技術ジャーナル 2005.5
21
光ネットワークを支えるPLCデバイス技術
けでなく，異種材料を用いた機能モ
を入出力する構成となっています．
ました．そのときの最小受光感度は
ジュールをハイブリッド集積し，光ネッ
A W G の透 過 スペクトル波 形 は合
−12,dBmであり，VSR要求仕様を十
トワークで求められるさまざまな機能
波・分波用それぞれに最適化され，特
分満足する結果を得ることができま
を実現することが可能です．
に分波用AWGは，出力導波路をマル
した．
まずは，短距離光インタフェース
チモード化することで，低損失かつ非
続いて，周期分極反転ニオブ酸リチ
（ VSR: Very Short Reach） 向 けに
常にフラットな透過波形が得られる回
ウ ム （ PPLN: Periodically Poled
マルチチップPLC集積技術を用いて開
路 を採 用 しています． またプラット
Lithium Niobate）導波路と１ × ４
発した10,Gbit/s × ４チャネルWDM
フォーム用PLCにはTx用DFB-LDと
カプラおよび遅延線回路から構成され
Rx用屈折入射型PDをパッシブアライ
る石英系PLCをマルチチップ集積した
(5)
送受信モジュールを紹介します ．
＊１
メント
で搭載し，導波路はファンア
超高速光時分割多重（OTDM: Opti-
な発展に伴い，局内ルータ間を高速に
ウト形状
＊２
cal Time Domain Multiplexing）
短距離相互接続するため，40,Gbit/s
光および電気クロストークを抑圧する
級の高スループットを持つ光伝送装置
工夫をしています．
近年，アクセスネットワークの急速
が必 要 とされ始 めていますが， O I F
にすることでチャネル間の
Tx特性としては，10,Gbit/s直接
(6)
向けモジュールを紹介します ．
モジュール構成を図７に示します．
２つの石英PLC導波路とPPLN導波
（ Optical Internetworking Forum）
変調時に−３dBm以上の光出力値が
路がマルチチップPLC接続されており，
で標準化された10,Gbit/s ×４チャネ
得られ，発振波長とともに要求仕様を
１ × ４カプラで４分岐された40,GHz
ルVSRはその有力候補と考えられてい
満足する結果が得られました．また
クロック光 は， それぞれ4 0 , G b i t / s
ます．この規格は，Coarse WDMとい
R x 特 性 としては， 受 光 感 度 は約
NRZ（ Non Return to Zero） 信 号
われる1 , 3 0 0 , n m 帯 の波 長 間 隔
0.4,A/Wと高感度かつフラットな受光
光と合波され，PPLN導波路に入射さ
2 4 . 5 , n m の４ チャネルを用 いて送 信
特性が得られました．また３dB受信
れます．PPLN内で発生した波長変換
（Tx）・受信（Rx）を行います．我々
帯域は９GHzで，21,dB以上の隣接
の検討したモジュール構成を図５に示
チャネルクロストークが得られました．
します．合分波用AWGとLD/PDが
作製モジュールの10,Gbit/s × ４チャ
ハイブリッド実装されたプラットフォー
ネル対向伝送実験（ファイバ長５km）
ム用PLCをマルチチップPLC接続し，
の結果を図６に示します．
LDドライバ/PDプリアンプICが搭載
全チャネル同時駆動の状態で，10 −12
されたプリント基板を介して電気信号
以下までのエラーフリー動作が得られ
LD（PD）
ドライバIC
（プリアンプIC）
＊1
＊2
パッシブアライメント：位置合わせマーカ
などを利用して画像認識によりLDやPDを
高精度に搭載する方法．一方で，LDやPD
の光信号が最大となるようにモニタしなが
らアライメントする方法はアクティブアラ
イメント．
ファンアウト形状：狭い間隔で並んでいる
複数の光導波路を隣どうしの光導波路が干
渉しない距離まで広げている部分．
10−4
Ch1 単駆動
Ch1 全駆動
Ch2 全駆動
Ch3 全駆動
Ch4 全駆動
10−5
10−6
符
号
−7
誤 10
り
率 10−8
AWG
電気配線
基板
マルチチップ
PLC接続
10−9
10−10
全チャネル
駆動
単チャネル
駆動
10−11
10−12
−25
−20
−15
入力光強度
図５ VSR用10 Gbit/s×４チャネルモジュールの構成
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NTT技術ジャーナル 2005.5
−10
−５
（dBm）
図６ 10 Gbit/s×４チャネル
対向伝送実験結果
特
集
１×４
カプラ
２×１
カプラ
４×１
カプラ
光遅延線
(a) 40 Gbit/s NRZ signal
OTDM
PPLN
導波路
PLC-L
PLC-R
P CNV
（OUT）
(b) 40 GHz optical clock
P CLK（IN）
Clock, Signal, P SIG（IN）
(c) 160 Gbit/s OTDM signals
図７ OTDM-MUXモジュールの構成
光は，遅延線を経て４×１カプラで合
波され，OTDM出力光となります．
マルチチップPLC集積技術の展開
波長変換光を高効率に発生させる
メトロネットワークへの適用が期待
ためには，石英PLC導波路とPPLN導
されている再配置可能な光アドドロッ
波路の接続損失を最小化する必要が
プ（ROADM: Reconfigurable Optical
あり，石英PLCはPPLN導波路の扁
Add-Drop Multiplexing）リングネッ
平 な電 界 分 布 と整 合 を取 るため，
トワークでは，複数のROADMリング
1.5％Δ導波路と横テーパスポットサ
ネットワークを接続するために任意の
イズ変 換 器 （ SSC: Spot Size Con-
波長を任意の出力ポートに出力可能な
verter）を適用しました．その結果，
波長選択スイッチ（WSS: Wavelength
一般的な0.75％Δ導波路では，１dB
Selective Switch）モジュールが今後必
の結合損失がありましたが，0.3,dBま
要になるといわれています．WSSのよ
で低減することに成功しました．また
うな高機能光モジュールをタイムリか
1.5％ΔPLC採用により回路レイアウ
つ低 コストに実 現 する技 術 として，
トも小型化され，全体サイズは85 ×
我々はマルチチップPLC集積技術が非
10,mmと小型なモジュールが実現で
常に有効な手法と考えており，今後も
き，挿入損失も約２分の１に低減す
研究開発を推進していく予定です．
ることができました．波長変換効率は
■参考文献
約300％/Wが得られており，このうち
(1) M. Ishii： “ PLC multi-chip integration
technologies,”Proc. OECC’
2003, 16A4-1,
2003.
(2) S. Suzuki, Y. Inoue, S. Mino, M. Ishii, I.
Ogawa, R. Kalahari, Y. Doi, Y. Hashizume, and
T. Kitagawa：“Compactly integrated 32channel AWG multiplexer with variable optical
attenuators and power monitors based on
multi-chip PLC technique,” Proc. OFC’
2004,
ThL2, 2004.
(3) A. Kaneko, Y. Hashizume, S. Kamei, Y. Doi, R.
Kasahara, Y. Tamura, I. Ogawa, M. Ishii, T.
Kominato, and S. Suzuki：“Ultra small and
low power consumption 8ch variable optical
attenuator multiplexer (V-AWG) using multichip PLC integration technology,”Proc. OFC’
2005, OTuD3, 2005.
(4) 笠原・石井・井上・高橋・鈴木・柴田・日比
野：“マルチチップPLC構成を用いた32chダ
イナミック波長チャネルセレクタ,”2004信学
PLC-PPLN結合損失および損失改善
分 は1 0 0 ％ / W 程 度 であるため， モ
ジュール波長変換効率は接続損失低
減の工夫により，約1.5倍向上したこ
とになります．160,Gbit/s OTDM出
力波形を図８に示します．ビット間隔
バラつきのない良好なアイ開口が確認
され，マルチチップPLC集積技術が将
来の超高速光通信にも有用な技術で
あることが確認できました．
図８ 160 Gbit/s OTDM出力波形
ソ大，C-3-67，2004.
(5) 土居・大山・橋本・亀井・大木・石井・柳
澤・美野：“PLCハイブリッド集積技術を用
いた10Gb/s×４チャネルWDM送信・受信モ
ジュール,”2004信学ソ大，C-3-12，2004．
(6) 山田・石井・美野・柴田・大原・高良・社
家・川西・ルセーブ・クルツ・パラメスワラ
ン・フェイヤー：“1.5％ΔPLC-PPLN接続を
用いたOTDM-MUXモジュール,”2003信学ソ
大，C-3-98，2003．
（上段左から）金子 明正/ 土居 芳行/
山田
貴
（下段左から）小川 育生/ 田村 保暁
マルチチップPLC集積化技術は，低コス
ト化と高性能化という相反する市場要求を
同時に満足できる光部品の重要要素技術と
私達は考えております．これからもブロー
ドバンドネットワーク実現に向けて，研究
開発を加速していきます．
◆問い合わせ先
NTTフォトニクス研究所
複合光デバイス研究部
TEL 046-240-4068
FAX 046-240-4528
E-mail [email protected]
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