50 Gbps光通信用HBT-ICモジュールの開発

50 Gbps 光通信用 HBT-IC モジュールの開発
50 Gbps 光通信用 HBT-IC モジュールの開発
Development of HBT-IC Modules for 50-Gbps Optical Communication Systems
青 木 生 朗 *1
小 林 信 治 *1
八木原 剛 *1
AOKI Ikuro
KOBAYASHI Shinji
YAKIHARA Tsuyoshi
松 浦 裕 之 *1
三 浦 明 *1
MATSUURA Hiroyuki
MIURA Akira
自社開発の超高速 HBT 素子を使い，我々は次世代 40 Gbps DWDM（Dense Wavelength Division
Multiplexing：高密度波長多重）
光通信用 HBT-ICモジュールを開発している。HBT素子のもつ超高速性能及び
低ジッター特性を生かし，優れた波形品位の 4：1 マルチプレクサ
（MUX）
，1：4 デマルチプレクサ
（DEMUX）
，
D フリップフロップ（DFF）をはじめとする標準ロジック IC 群，並びに 30 kHz ∼ 33 GHz で 23 dB ± 1 dB の
フラットなゲイン特性で5 Vpp以上の高出力が得られるLN
（Lithium Niobate）
光変調器用ドライバICを開発し
た。さらに，2：1 MUX モジュールにて 45 Gbps の動作を確認した。各種 IC をアルミナ基板に実装し，コネク
タインタフェースとした HBT-IC モジュール（現在サンプル提供評価中）を紹介すると共に，次世代 40 Gbps
DWDM 光通信用システムの実用化段階での市場ニーズに配慮し，通信装置への組み込みが容易な量産型セラ
ミックパッケージモジュールについても触れる。
We have been developing HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) -IC modules for next-generation
optical communication systems of 40-Gbps DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) using
Yokogawa-made ultra-highspeed HBT devices. With the advantage of HBTs’ ultra-highspeed performance and low jitter, we have developed standard Logic IC groups of high-quality output waveforms
such as 4:1 multiplexer (MUX), 1:4 demultiplexer (DEMUX) and D flip-flop (DFF), and also an LN
(Lithium Niobate) optical modulator driver-IC of flat gain of 23 dB ±1 dB at 30 kHz–33 GHz along with
5 Vpp or more output voltage. Especially, 2:1 MUX IC modules can operate at 45-Gbps with 22.5 Gbps
× 2 input. We have mounted these ICs onto an alminum substrate and made them a packaged module
with a connector interface. We introduce the HBT-IC modules (now on sample-release for evaluation)
and demonstrate the ceramic-packaged modules for mass production that can be easily set in communication equipments, meeting the market needs in the practical stage of next-generation 40-Gbps DWDM
optical communication systems.
1.
は じ め に
我々は，1983 年から超高速化合物半導体デバイス技術
の開発を行ってきた。そして，各種高速デバイスを開発す
インターネットやマルチメディアネットワークの急速
る中で得てきた超高速電子素子技術と長年培ってきた高
な普及拡大に伴い，近年の通信技術は高速・大容量化に向
精度計測技術を融合させ，来たるべき高速大容量通信の
け，大きな発展をとげている。特に，WDM
（Wavelength
根幹を支える次世代 40 Gbps DWDM 光通信のキーコン
Division Multiplexing：波長多重）
技術により，その伝送
ポーネントである送受信モジュールの開発を行っている。
容量は飛躍的に増大しており，10 Gbpsが実用化段階にあ
超高速通信用素子として，我々は直流領域からの使用
るが，さらなる多重化やベースバンド信号のさらなる高
を前提としていることを考慮し，ベースの入力インピー
速化へと開発が進んでいる。次世代光通信技術として，特
ダンスが低く，化合物半導体基板の不完全性に起因した
に注目されるのが，40 Gbps DWDM
（Dense WDM：高密
雑音成分の影響が FET 系に比べて少ない HBT 素子を選
度波長多重）
光通信であり，商用システム構築に向けた研
（1）
（2）
択し，開発を進めてきた。
本文では，次世代40 Gbps
究開発が光通信分野で活発に行われている。
DWDM 光通信システムの送受信モジュールを構成する
外部光変調器用ドライバIC，並びに超高速ロジックIC群
*1 R&Dセンター フォトニクスデバイスPJTセンター
3
について紹介する。
横河技報 Vol.46 No.2 (2002)
39
50 Gbps 光通信用 HBT-IC モジュールの開発
Vcc
30
Out
Gain [dB]
25
In
図 1 単位アンプ
20
15
10
5
0
-5
単位アンプ
-10
0
10
20
30
40
50
Frequency [GHz]
図 4 光変調器用ドライバ IC モジュールのゲイン特性
図 2 20 段カスケード型分布定数アンプの IC チップ
単位アンプを 20 段並列化した変調器用ドライバ IC を
図 2 に示す。チップ寸法は 6 mm × 1 mm である。分布
2.
光変調器用ドライバ IC モジュール
4 0 G b p s D W D M 用光変調器には，L N（L i t h i u m
（3）
型アンプを実装したドライバICモジュールの外観写真を
図 3 に示す。プリドライバ用とドライバ用の 2 つの分布
型アンプを V コネクタを用いて実装したもので，モ
Niobate）
変調器 とEA（Electro-Absorption）
変調器があ
ジュール全体のネットワークアナライザによる小信号周
る。前者は，5 Vpp 以上という高い駆動電圧が要求され
波数特性測定結果を，図4に示す。周波数帯域幅30 kHz
るが，波長帯が広く，1 設計で WDM バンド帯を広範囲
∼ 33 GHz でゲイン 23 dB ± 1 dB，消費電力 2.3 W であ
にカバーできるという特長を有する。一方，後者は 2 ∼
る。43 Gbpsの擬似ランダム信号PRBS
（Pseudo Random
3 Vpp という低い駆動電圧で済むが，損失特性と吸収特
Binary Sequence）
印加時の出力アイパターンを，図5に
性の関係から対応波長範囲が狭くなり，いくつかに分割
示す。PRBS の繰り返し長は 231 − 1 ビットである。出力
した波長帯毎に設計する必要がある。変調器用ドライバ
振幅 6 Vpp が得られ，良好なアイ開口を得ている。
IC としては，高い駆動電圧を要する LN 変調器用に開発
さらに，我々の開発したドライバICモジュールで住友
すれば，駆動電圧の低い EA 変調器用としても使用可能
大阪セメント殿ご提供の 40 Gbps 用 LN 変調器を駆動し，
となる。周波数に関しては，数十 kHz から 30 GHz を超
光出力波形についても評価し，良好な結果を得ている。こ
える超広帯域において，平坦な出力特性が要求される。
れは，43 Gbps の超高速電気信号をドライバ IC モジュー
以上の要求を満たす光変調器用ドライバICの開発に際
ルに入れ，LN変調器で光変調した後，PDで再び43 Gbps
し，我々は 40 Gbps で 5 Vpp 以上の開発目標を掲げ，注
力して取り組んだ。ドライバICの回路構成として，分布
型アンプを採用した。化合物半導体の基板は半絶縁性で
あるために，電子素子への応用では分布定数回路を比較
的容易に導入できる特長がある。図 1 に示すカスコード
型アンプを単位アンプとして，各単位アンプを分布定数
線路上に位相を揃えて配置し，分布型アンプを構成して
いる。分布型アンプとすることにより，高出力化のため
に単位アンプを多段並列化しても，広帯域特性が損なわ
図5
れにくい。
図 3 光変調器用ドライバ IC モジュール
（外形寸法：26 × 24.2 × 7.5 mm）
40
横河技報 Vol.46 No.2 (2002)
光変調器用ドライバ IC モジュールの 43 Gbps
231 − 1 PRBS 出力波形
図 6 住友大阪セメント殿ご提供の LN 変調器光出力後
の 43 Gbps 231 − 1 PRBS 出力波形
4
50 Gbps 光通信用 HBT-IC モジュールの開発
図 7 2：1 MUX IC モジュールの外観
図9
（外形寸法：23.2 × 26.6 × 9 mm）
の電気信号に戻し，波形を評価したものである。図 6 に
31
2 − 1 PRBS 印加時のアイパターンを示す。
の231 −1 PRBS出力波形を，図8に示す。消費電力は1.1 W
である。
以上，我々は初期に掲げた 40 Gbps で 5 Vpp 以上とい
う目標を達した後も，高出力化とゲイン平坦化に向け，
実装技術の改善をはじめとした改良を行っている。
3.
1：2 DEMUX IC モジュール
（左）と
DFF IC モジュール
（右）の外観
同様に，1：2 DEMUX IC，DFF IC についても，超高
速 HBT 素子を用いて集積回路化し，モジュール化した
（図9）
。図10，11に，43 Gbps入力時の各々の231 −1 PRBS
出力波形を示す。消費電力は 1.7 W と 1 W。これらの IC
光通信用超高速ロジック IC モジュール
モジュールは 2 31 − 1 ビットの繰り返し長 PRBS アイパ
40 Gbps DWDM光通信システムを構成する上で重要な
ターン測定時に，BERT
（Bit Error Rate Tester）
にてエ
超高速ロジック回路の中で，電気信号を束ねるマルチプ
ラーフリーを確認しており，40 Gbps 光通信システムに
レクサ（MUX），電気信号を分配するデマルチプレクサ
適用可能な超高速ロジック IC モジュールとなっている。
（D E M U X ），リタイミング用の D フリップフロップ
近い将来の 40 Gbps DWDM 光通信の実用化を念頭にお
（DFF）
をはじめとする40 Gbps超高速ロジックIC群を開
き，我々は各種ICモジュールを集約した4：1 MUX，及び
発した。40 Gbps という超高速信号では，ジッター特性
1：4 DEMUX の集積化に取り組んだ。図 12，13 に開発し
（位相雑音等による時間軸上での信号の揺らぎ）は誤り率
た 4：1 MUX IC と 1：4 DEMUX IC のチップ写真を示す。
に致命的な影響を及ぼすため，ジッター特性の極めて良
共に 2.8 mm × 3.8 mm のチップ上にそれぞれ約 2000 と約
好な半導体素子が必要となる。我々の開発しているHBT
1600 の集積素子数で，消費電力は各々 3.5 W と 3.2 W であ
素子は，FET系に比べ原理的にジッターが低く，数ps以
る。本ICチップを実装し，モジュール化した。40 Gbps以
下のジッター特性が要求される 40 Gbps の信号を扱う上
上の高速信号にはVコネクタを使用し，その他高速信号に
で優れるものと期待される。
はKコネクタを使用した。図14に，4：1 MUX ICモジュー
標準ロジック ICの開発では，2：1 MUX ICの開発から
取り組んだ。標準ロジックICは，差動バッファ入力，オー
プンコレクタ出力とし，外部ロジックインタフェース電
圧は 0 V ∼− 0.5 V である。図 7 に本 IC チップをアルミ
ナ基板を用いて実装し，モジュール化した 2：1 MUX IC
モジュールの外観写真を示す。高速信号用に K コネクタ
を使用した。2：1 MUX ICモジュールを3個用い，10 Gbps
入力4系統を1本に束ねて40 Gbps信号が得られる。次段
の 2：1 MUX IC モジュールに，21.3 Gbps × 2 入力並び
に 22.5 Gbps × 2 入力時のそれぞれ 42.6 Gbps と 45 Gbps
図 10 1：2 DEMUX IC モジュールの 43 Gbps 入力時の
231 − 1 PRBS 出力波形
45.0 Gbps output
2：1 MUX
22.5 Gbps
or
21.3 Gbps
0.2 V/div.
10 ps/div.
0.2 V/div.
10 ps/div.
42.6 Gbps output
Clock
(22.5 GHz or 21.3 GHz)
図 8 2：1 MUX IC モジュールの 231 − 1 PRBS 出力波形
5
図 11 DFF IC モジュールの 43 Gbps
231 − 1 PRBS 出力波形
横河技報 Vol.46 No.2 (2002)
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50 Gbps 光通信用 HBT-IC モジュールの開発
図 12 4：1 MUX IC モジュールのチップ
（a）4：1 MUX
（b）LN Driver （c）1：4 DEMUX
図 16 各種セラミックパッケージモジュール
（43 Gbps 2.8 × 3.8 mm 3.5 W 集積素子数：2000）
はない。そこで，我々は高速入出力信号ラインを CPW
（Coplanar Waveguide）
線路化とし，ワイヤーボンディン
グで外部とインタフェースする方式のセラミックパッ
ケージモジュール化を進めている。図16に，将来の商用
量産を目指した装置組み込み用セラミックパッケージモ
ジュール群の一部
（4：1 MUX，LN Driver，1：4 DEMUX）
を示す。今後，セラミックパッケージモジュール群の充
図 13 1：4 DEMUX IC モジュールのチップ
（43 Gbps 2.8 × 3.8 mm 3.2 W 集積素子数：1600）
実を図っていく。
4.
お わ り に
ルの 43 Gbps PRBS 出力波形を，図 15 に 1：4 DEMUX IC
自社開発の超高速 HBT 素子を用いた 40 Gbps DWDM
モジュールの 43 Gbps 入力時の 10.75 Gbps × 4 出力波形
光通信用ICモジュールについて，サンプル提供可能な超
を示す。これら高集積ICモジュールは，これまでの複数の
高速ロジック IC 群と光変調器用ドライバ IC の一部を紹
ロジックICモジュールで構成した機能をワンモジュール化
介した。現在注力して取り組んでいる高集積化によるワ
することにより，大幅なコストダウン
（%1 ∼ $1）
を図れる。
ンモジュール化，並びにコネクタフリーのセラミック
本高集積ICモジュールのサンプル提供評価は，2002年2月
パッケージモジュール化という形での我々のソリュー
から開始した。
ション提供が，次世代40 Gbps DWDM光通信システムの
これまで紹介したモジュールは Vコネクタや K コネク
実用化を大きく推進していくことを期待している。
タ付きであり，次世代光通信システムの開発段階に向け
さらに我々は，次々世代の 80 Gbps 光通信システムに
た仕様となっている。近い将来の商用段階で通信機器を
向けた取り組みも始めており，2 ps以下という超高速ス
構成する際には，コネクタ付きモジュールでは実用的で
イッチングが可能なRTD（Resonant Tunneling Diode）
素
子と HBT 素子との融合を視野に入れ，検討中である。
4：1 MUX
43 Gbps
参 考 文 献
（1）小林信治，内田賢治，手塚賢太郎，岡貞治，藤田忠重，青木生
10 Gbps
朗，八木原剛，松浦裕之，三浦明，”超高速 HBT 素子の開発と
応用”，電子情報通信学会，光通信システム研究専門委員会，
OCS40G-5，2001 年 6 月 14 日，p. 23-28
図 14 4：1 MUX IC モジュールの
43 Gbps 231 − 1 PRBS 出力波形（振幅：0.5 Vpp）
（2）Ikuro Aoki, Shinji Kobayashi, Sadaharu Oka, Tadashige Fujita,
Kenji Uchida, Kentaro Tezuka, Hideki Takeda, Hirotoshi Kodaka,
Tsuyoshi Yakihara, Hiroyuki Matsuura, Akira Miura,
“Development and Application of Ultra High-speed HBT for
1：4 DEMUX
10.75 Gbps
Measurement,”ANDO Technical Bulletin, November 2001, pp.
59-65
43 Gbps
（3）Akira Miura, Katsuhiko Yamanaka, Akihisa Hashimoto, “AN
E L E C T R O O P T I C A L M O D U L A T O R （O P T I C A L
WAVEGUIDE）IC IN AN OPTICAL LINK USED FOR VOLT-
図 15
42
43 Gbps 入力 1：4 DEMUX IC モジュールの
231 − 1 PRBS 出力波形（振幅：0.5 Vpp）
横河技報 Vol.46 No.2 (2002)
AGE SENSOR ISOLATION”
，PROCEEDING IECON84，1984，
pp. 795-801
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