85 ℃高温動作80km 伝送用11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発

情報通信
85 ℃高温動作 80km 伝送用
11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発
＊
濱　島　康　宏・井　上　真　吾・日　野　正　登
大　坪　和　敏・鈴　木　信　也・乙　部　健　二
Development of 11.1Gbit/s Pluggable Optical Link Enabling 80km Transmission at 85˚C ─ by Yasuhiro Hamajima,
Shingo Inoue, Masato Hino, Kazutoshi Otsubo, Shinya Suzuki and Kenji Otobe ─ The authors have successfully
developed an XFP (10Gbit/s small form factor pluggable) transceiver module, which satisfies all of the requirements
by XFP multi source agreement (MSA) at -5 to 85˚C. The power dissipation of the newly developed XFP is around
3.0W and 20% lower than the conventional XFP. Furthermore, this module can reach up to 80km (1600ps/nm) at
11.1Gbit/s. We believe that this module will contribute to reduction in the size and cost of transmission equipment.
Keywords: XFP, LR2, E-temp, 11.1Gbit/s, long haul, low power dissipation
1.　緒　言
近年、情報通信のデータ量の増大により幹線系に使用さ
表 1　主要諸元
れる伝送装置の高ビットレート化や WDM（Wavelength
Division Multiplexing）化が急速に進められている。これ
ら 伝 送 装 置 に は XFP（ 10Gbit/s Small Form Factor
Pluggable）等のプラガブル光リンクが搭載されたボード
が複数枚搭載されている。データ量を増大させるために、
1 装置あたりのボード枚数を増やすか、ボードあたりのプ
ラガブルモジュールの搭載数を増やす方法が行われる。こ
のため、装置の熱設計の観点から使用される XFP には低消
費電力化や高温度動作化が要求される。
今回、我々はこれら要求に適合した 85 ℃, 11.1Gbit/s で
光
送
信
部
動作する 80km（1600ps/nm）伝送用 XFP LR2/10GBASEZR の開発および製品化に成功した。
本稿では、XFP の MSA 規格（1）の 3.5W 以下で 85 ℃動作
を可能にした低消費電力化設計と開発したプラガブル光リ
ンク（XFP）の特性について報告する。
2.　開発した光リンクの構成と諸元
２−１　主要諸元
開発した 11.1Gbit/sXFP 光リンク
の主要諸元を表 1 に示す。本製品は動作温度範囲-5 〜 85 ℃、
標 準 シ ン グ ル モ ー ド フ ァ イ バ に て 80km（ 分 散 量 で
1600ps/nm）、 11.1Gbit/s ま で の 伝 送 を 可 能 と す る モ
ジュールである。光電気特性は MSA で定められている
伝
送
路
光
受
信
部
動作ケース温度
-5 〜 85 ℃
外形寸法
78.0mm × 18.35mm × 8.5mm
（12.2cm3，MSA 準拠）
電気インターフェース
30 ピンコネクタ（MSA 準拠）
伝送速度
9.95/10.3/10.7/11.1Gbit/s
光送信デバイス
EA 変調器レーザ
中心波長
1530 〜 1565nm
光出力パワー
0 〜 4dBm
光出力波形
TELCORDIA GR-253-CORE 準拠
消光比
9dB
ジッタジェネレーション
100mUIpp/10mUIrms
ジッタトランスファー
TELCORDIA GR-253-CORE 準拠
伝送路
SMF（1.3µm 零分散シングル
モードファイバ； G.652）
残留分散値
0 〜 1600ps/nm
受光デバイス
APD
受信感度
-24.0dBm（9.95Gbit/s）
-23.5dBm（11.1Gbit/s）
分散ペナルティ
2dB（9.95Gbit/s）
3dB（11.1Gbit/s）
オーバーロード
-7dBm
ジッタトレランス
TELCORDIA GR-253-CORE 準拠
電　源
+3.3V, +5V
消費電力
3.5W
TELCORDIA GR-253-CORE（2）に準拠し、規定されていな
い 11.1Gbit/s は顧客要求の特性を開発目標とした。高温
（85 ℃）になると消費電力が増加してくるが、消費電力
3.5W 以下を目標とした。距離（分散量）が長くなり、ビッ
トレートが上がるほど光受信部の最小受信感度や分散ペナ
ルティは劣化する傾向にある。11.1Gbit/s での目標受信感
度は-23.5dBm 以下、分散ペナルティは 3dB 以下とした。
図 1 にブロックダイアグラムを示す。本光リンクは、光
送信部、光受信部及び制御部の 3 つの部分より構成される。
2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 63 ）−
光送信部
電気
入力信号
TOSA
CDR
EA 変調器
光
出力信号
Assembly）、②電気の入力信号を受けて再生する CDR、
LDD
LD
（3）
のバイアス電圧を制
③ APD（Avalanche Photodiode）
TEC
御するために高電圧を生成する高電圧生成回路の 3 つの部
制御部
2 線式
通信
AD変換器
CPU
分により構成されている。
温度制御 光パワー制御
光信号を電気信号に変換する ROSA は InGaAs APD
DA変換器
フォトダイオードを内蔵しており、XMD-MSA に準拠した
高電圧生成
電気
出力信号
光受信部
光受信部は①光信号を電
2 − 3　内部構成 2 光受信部
気 信 号 に 変 換 す る ROSA（ Receiver Optical Sub-
光
入力信号
ROSA
CDR
TIA
APD
ものを開発した（写真 2）。中心の ROSA ケースには APD
と TIA（Transimpedance Amplifire）が内蔵されており、
フランジで支えられフレキシブル基板により XFP 本体の基
板と接続される。
図 1　ブロックダイアグラム
2−2
内部構成 1 光送信部
ROSA ケース
光送信部は①電気信号を
光信号に変換する TOSA（Transmitter Optical SubAssembly）、②電気の入力信号を受けて再生する CDR
（Clock and Data Recovery）、③電気信号の振幅を増幅す
る LDD（Laser Diode Driver）、④ LD の駆動電流を制御
フランジ
する光パワー制御回路、⑤ TOSA 内の LD（Laser Diode）
温度の制御を行う温度制御回路の 5 つの部分により構成さ
れている。
フレキシブル基板
電気信号を光信号に変換する TOSA は、-5 〜 85 ℃の温度、
11.1Gbit/s まで動作する 80km 伝送用の EA 変調器レーザ
（EML: Electro-Absorption Modulator Integrated Laser
写真 2　ROSA 外形
Diode）を搭載し、XMD-MSA に準拠したものを開発した
（写真 1）。TOSA ケース内には LD および EA 変調器や TEC
（Thermoelectric Cooler）が内蔵されており、フランジで
支えられフレキシブル基板により信号線路が XFP 本体の基
板と接続される 。
（3）
2 − 4　内部構成 3 制御部
制御部のブロックダイアグ
ラムを図 2 に示す。制御部は①モジュールの温度や受信部
に入力される光パワーなどの動作状況をモニタしている
AD（Analog-Digital）変換器、② EA 変調器駆動電圧や
レーザ駆動電流などの制御を行っている DA（DigitalAnalog）変換器、③ AD/DA 変換器やモジュール全体の動
作を監視している CPU の 3 つの部分から構成される。また、
TOSA ケース
制御部
フランジ
2線式
通信
フレキシブル基板
CPU
プログラム
メモリ
AD変換器
・モジュール温度
・送信部光パワーモニタ
・受信部光パワーモニタ
・電源電圧
DA変換器
・EA変調器駆動電圧
・LD駆動電流
・TEC温度
・APD用高電圧
写真 1　TOSA 外形
図 2　制御部のブロックダイアグラム
−（ 64 ）−
85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発
CPU は 2 線式通信機能（2-wire serial interface）により
3 − 2　新たに開発した低消費電力 XFP
今回開発し
外部との通信を行うことができ、モジュール外部から内部
た XFP は下記（1）〜（4）を行うことで低消費電力化を実
の動作確認、異常検知、固体識別や各種機能のコントロー
現した。
ルを行っている。
（1）TEC（Thermo Electric Cooler）周辺での低消費電
力化。85 ℃で 0.6W 削減。
① 新規に開発した高効率 LD を採用し、従来よりも約
3.　低消費電力設計
30 ％の注入電流を削減した。これによりチップの
3 − 1　従来技術を用いた場合の XFP の消費電力
発熱量が下がるため TEC の消費電力が下がる。
図3
に従来技術を用いた設計時の消費電力見積りを示す。XFP
② TEC 駆動回路の高効率化。
のケース温度が高温になると LD 温度を一定に保つために
③ 高効率 DC/DC コンバータ（電圧変換器）を効果的
TEC が冷却素子として働き、TEC 電流が上昇する。逆に
に使用。
ケース温度が低温になると、TEC は加熱素子として働き、
④ 低電圧の安定化電源を作り、部品への印加電圧を
TEC 電流を増大させる。LD の表面温度と XFP のケース温
抑制。
度との温度差が大きいほど、TEC 電流は多くの電流が流れ
（2）LDD 周辺での低消費電力化。85 ℃で 0.3W 削減。
るために消費電力が増加する。このため 85 ℃で動作させ
① LD バイアス回路への給電方法の見直し。
る場合は、従来の 75 ℃動作と比べ 0.8W も消費電力が増大
② 低電圧駆動の EML-LDD を採用。
する。温度変化による消費電力の増大は TEC の消費電力変
（3）低消費電力の CDR-IC を採用。85 ℃で 0.2W 削減。
化が最も影響していることが分かる。85 ℃の消費電力は合
（4）TIA の電源電圧を最適化。85 ℃で 0.1W 削減。
計 4.0W になり、同様規格の 3.5W よりも大きくなる結果
になった。
図 4 に今回新規に設計した XFP の消費電力を示す。従来
技術で支配的な TEC 周辺や LD 駆動回路の消費電力は、新
規設計品の TEC 周辺では 85 ℃で 0.6W、LDD 周辺では
0.3W を削減する見積りとなっている。
5.0
5.0
LDD 周辺
3.0
TEC 周辺
4.0
CDR
LD 駆動
2.0
TIA 駆動
CPU 他
1.0
0.0
-5
35
75
85
Temperature [˚C]
図 3　従来技術を用いた場合の XFP の消費電力
Power Dissipation [W]
Power Dissipation [W]
4.0
LDD 周辺
3.0
TEC 周辺
CDR
LD 駆動
2.0
TIA 駆動
CPU 他
1.0
0.0
-5
35
75
85
Temperature [˚C]
図 4　新たに設計した XFP 消費電力
実際には TEC の冷却能力に制限があり、これを超えると
LD の発熱を吸収することができなくなる。この場合は LD
の表面温度が上昇し、注入電流の増加、さらに発熱する熱
暴走モードに入ることになる。よって LD の消費電力を減
らすことが重要になる。
TEC 周辺部以外にも EA 変調器、LDD 部や、CDR など
4.　諸特性
4 − 1　消費電力
図 5 に開発した XFP モジュール全
体 の 消 費 電 力 を 示 す 。 消 費 電 力 は 温 度 35 ℃ で 1.9W、
消費電力が大きい回路があり、これらの低消費電力化も必
75 ℃で 2.6W、85 ℃で 2.9W となり、設計どおりの消費電
須である。
力で実現できており、規格の 3.5W 以下を達成できた。
2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 65 ）−
3.5
30
20
2.5
Wavelength Drift [pm]
Power Dissipation [W]
3.0
2.0
1.5
1.0
10
0
-10
-20
0.5
0.0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-30
-10
0
10
20
40
50
60
70
80
90
図 7　光波長安定度
図 5　XFP モジュールの消費電力
4 − 2　光出力波形
30
Temperature [˚C]
Temperature [˚C]
図 6 にフィルタ透過後の 1600ps/
nm 伝送前後の光出力波形を示す。伝送前の波形（図の上
段）は、GR-253-CORE で規定されるマスクパターンを満
精密な波長制御を実現しており、今後 DWDM 用途への拡
張が可能である。
光受信側の特性として図 8 に 9.95
4 − 4　伝送特性
足しており、マージン 10 ％以上を確保することができた。
Gbit/s、35 ℃ケース温度での BER（Bit Error Rate）グラ
伝送後の波形（図の下段）は 11.1Gbit/s でも開口しており
フ を 示 す 。 規 格 -24dBm に 対 し て 十 分 に 余 裕 が あ り 、
1600ps/nm 伝送が可能なことを示している。Tx 側のオフ
1600ps/nm 伝送時の分散ペナルティはほぼ 0dB と良好な
セット電圧 Vo を深くすると伝送後の波形は 0（ゼロ）レベ
特性が得られた。
ルの信号が下がるため開口し伝送特性が良くなるが伝送前
の波形は開口が狭くなる。逆にオフセット電圧 Vo を浅く
すると伝送後の波形は 0（ゼロ）レベルの信号が上がるた
め開口が狭くなり、伝送前の波形は開口が広くなる。伝送
: 0ps/nm
BER
前と伝送後の波形はトレードオフとなっており、オフセッ
: 1600ps/nm
10-3
ト電圧 Vo を最適化した。
10-4
11.1G
Bit Error Ratio
9.95G
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
-32
図 6　伝送前後の光出力波形（35 ℃, PRBS31）
-30
-28
-26
-24
-22
-20
Optical Input Power [dBm]
図 8　伝送特性（35 ℃, 9.95Gbit/s, PRBS31）
4 − 3　光波長安定度
図 7 に光波長の安定度を示す。
動作ケース温度範囲（-5 〜 85 ℃）において± 25pm 以内の
−（ 66 ）−
85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発
図 9 に最少受信感度の温度特性を示す。高温 1600ps/
100000
nm 伝送時に約 0.8dB の受信感度劣化が確認されたが、温
圧や APD の駆動電圧を温度に対し受信感度が最小になる
よう最適化しているためである。
Jitter Tolerance [UIp-p]
度特性は十分に低い結果が得られた。これは TIA の閾値電
GR-253 Mask
Tc = -5˚C
Tc = 35˚C
1000
Tc = 85˚C
100
10
1
GR-253 Mask
0.1
1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
-22.0
Optical Input Power [dBm]
10000
-22.5
: 0ps/nm
-23.0
: 1600ps/nm
Frequency [Hz]
-23.5
図 11　ジッタトレランス特性
-24.0
-24.5
-25.0
-25.5
-26.0
-26.5
-27.0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperature [˚C]
5.　結　言
新規に開発した TOSA の採用および新たに回路を設計
す る こ と で 85 ℃ に て 3.5W 以 下 の 消 費 電 力 を 実 現 し
11.1Gbit/s で動作する 80km（1600ps/nm）伝送用 XFP
図 9　受信感度の温度特性（9.95Gbit/s, PRBS31）
LR2/10GBASE-ZR の開発および製品化に成功した。本製
品を用いることで伝送装置のボードあたりの XFP 数量を効
果的に増やすことが可能になり、現在加速している情報量
図 10 にファイバ分散値と分散ペナルティのビットレー
増大のニーズに対応できると考えられる。
ト依存性を示す。分散量が増えると、またビットレートが
高くなると分散ペナルティは悪化するが、11.1Gbit/s、
1600ps/nm まで分散ペナルティは 2dB 以下の良好な特性
を確認することができた。
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
WDM
Wavelength Division Multiplexing（波長分割多重方式）：
波長毎に異なる信号を変調し、1 本のファイバに結合させる。
Dispersion Penalty [dB]
7
6
10.3G
5
11.1G
※2
10.7G
XFP
10 Gigabit Small Form Factor Pluggable ：活栓挿抜可
能な 10Gbit/s 対応光トランシーバ。
4
3
2
※3
1
Multi-Source Agreement ：モジュールサプライヤ各社
0
が、外部仕様を共通化するための協定。
-1
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
Chromatic Dispersion [ps/nm]
図 10　ファイバ分散値と分散ペナルティ
※4
MSA
TOSA
Transmitter Optical Sub-Assembly ：発光素子と光ファ
イバとを容易に光学結合させることができるレセプタクル
タイプのモジュール。
※5
4 − 5　ジッタトレランス
図 11 にジッタトレランス
特性を示す。GR-253-CORE の要求に適合している。
CDR
Clock Data Recovery ：シリアル伝送システムの受信側に
おいて、シリアル信号に織り込まれているクロック成分を
再生し、それで信号を再同期させることによって、元の信
2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 67 ）−
号を回復させること、またはその回路要素。GbE では
8B/10B 符号によって、SONET/SDH ではスクランブル処
理によって、ある程度値が変化するシリアル信号になって
いる。CDR の特性としては、同値連続への耐性や、ジッタ
耐性が重要である。さらに、PON の上りにおいてはバース
ト信号になるので、同期時間も重要になる。
※6
LD
Laser Diode（半導体レーザー）。
※7
ROSA
Receiver Optical Sub-Assembly ：受光素子と光ファイバ
とを容易に光学結合させることができるレセプタクルタイ
プのモジュール。
※8
APD
Avalanche Photo Diode（エーピーディー／アバランシ
フォトダイオード／アバランチフォトダイオード）：ブ
レークダウン電圧に近い大きな逆バイアス電圧（数十〜
200V）が印加された半導体の p-n 接合において、吸収光
子によって生成された正孔− 電子のペアが電界による加速
を受けて伝搬する際にイオンと衝突することにより正孔−
参　考　文　献
（1）SFF Committee,“10 Gigabit Small Form Factor Pluggable（XFP）
Transceiver MultiSource Agreeement（MSA）”, Revision4.0、p1183（April 13, 2004）
（2）International Telecommunication Union,“ ITU-T G.693 and
Telcordia GR-253 Specifications”
（3）K.Morito,“Penalty-Free 10Gb/s NRZ Transmission over100km of
Standard Fiber at 1.55um with a Blue-Chirp Modulator Integrated
DFB Laser”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.8, NO.3,
p431-433（MARCH, 1996）
執　筆　者 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------濱 島 康 宏＊：伝送デバイス研究所
機能モジュール研究部
光ネットワーク用光トランシーバ開発に
従事
井 上 真 吾 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部
日 野 正 登 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部
大 坪 和 敏 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部 主査
鈴 木 信 也 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部 主査
乙 部 健 二 ：伝送デバイス研究所 機能モジュール研究部
グループ長
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者
電子のペアを追加生成し加速度的に電流が増大するなだれ
（アバランシ）現象を示す。このアバランシ増倍現象を利
用して、光信号を増幅する能力をもった光受信モジュール
の高感度化に有利な受光素子の総称。
※9
TIA
Trans-impedance amplifier（トランスインピーダンス・
アンプ）：フォトダイオードなどの微小電流信号を増幅す
るためには，入力バイアス電流が少なく，入力オフセット
電圧やドリフトも小さなアンプを用いて I-V 変換するのが
一般的。その際に多く用いられている回路方式は，反転ア
ンプの入力にフォトダイオードを直接入力するトランスイ
ンピーダンスと呼ばれる方式。
※ 10 DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexing（高密度波長
多重伝送）
：高密度波長分割多重。1.6nm もしくは 0.8nm、
0.4nm 間隔で波長多重する方式。多重波長数は、16 〜
160 程度。幹線系の高性能な WDM システムに利用される。
※ 11 BER
Bit Error Rate（ビット誤り率）。
−（ 68 ）−
85 ℃高温動作 80km 伝送用 11.1Gbit/s プラガブル光リンク（XFP）の開発