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導入
従来、長距離基幹ネットワークで採用されてきた高密度波長分割多重（DWDM ）伝送方式は、近年のインターネットに代表されるマルチメディアサービスの急速な普及に伴い、メトロポリタンエリアネットワークにも採用されつつあります。メトロポリタンエリアネットワーク用途では、SFP（Small Form-Factor Pluggable）などの小型光トランシーバが高密度実装されることが一般的であり、SFPパッケージを用いたDWDM光トランシーバの開発が待望されていました。
著者らは、これまでに蓄積してきたSFP設計技術と波長制御技術を活用し、ペルチェ素子を内蔵した小型同軸送信光サブアセンブリ（TOSA）を開発し、SFPプラットフォーム（DWDM-SFP）におけるDWDMアプリケーション用2.5Gbps光トランシーバの開発に成功した。
ペルチェ素子を内蔵した小型同軸TOSAの開発
今回開発したペルチェ素子内蔵同軸TOSAの外観とピン配置を図1と図2に示す。DFBレーザーダイオード（LD）、モニター用フォトダイオード（PD）、LD温度制御用の新開発ペルチェ素子、およびLD温度検出用のサーミスタを8ピンパッケージに内蔵し、アイソレータとファイバレセプタクルをその上に搭載している。これらの内部部品を小型化し、熱負荷を最小化して消費電力を低減することで、直径5.6 mm、長さ12.7 mmの冷却同軸TOSAを実現した。これは、従来の冷却バタフライ型モジュールの8分の1のサイズである。
図3は、モジュールの消費電力のケース温度依存性を示す。本評価では、温度を40℃、LD電流を35mAとした。その結果、消費電力は230mW以下に抑えられており、これは従来のバタフライ型モジュールの8分の1に相当し、低消費電力かつ放熱構造が簡素化されたDWDM-SFPの実現が容易となる。
パッケージの開発
SFPは図4に示すように、通信機器の開口部に挿入する小指大のプラガブル光トランシーバである。SFPは、光コネクタが挿入されるレセプタクル部や通信機器の電気コネクタと嵌合するエッジコネクタなど、外形寸法や重要な寸法仕様がMSA（Multi Source Agreement）で標準化されている。開発の目的は、MSAの規格を満たすだけでなく、低コストで以下の構造要件を満たすパッケージを実現することであった。1)高密度実装構造、2)高効率放熱構造、3)電磁干渉（EMI）シールド構造。これらの要件を満たすためのソリューションを以下に述べる。
高密度実装構造を実現するために、プリント基板（PCB）外形とその上の電子部品を含む内部構造の3次元配置を最適化した。DWDM -SFPとTOSAの筐体最高動作温度はそれぞれ70℃と75℃である。したがって、SFPとTOSAの温度差を5℃以内に抑える必要がある。図5の部品番号1と部品番号2は放熱の役割を担っており、材質は銅合金で、熱伝導率はそれぞれ350W/mKと300W/mKである。部品番号1は、 PCB上に実装されたトランシーバICなどの部品からSFP背面へ熱を輸送する役割を担っている。TOSAと受信側光サブアセンブリ（ROSA）からの熱は、パッケージ上下面の放熱シートによって輸送される。図 6 はこれら 3 つの熱伝導経路を示す概念図、図 7 は熱シミュレーションの結果を示します。図 7 において、領域 “a” の温度は他の領域に比べて十分に低く、TOSA が他の熱源から熱的に十分に分離されていることを示しています。図 8 は、TOSA と SFP のケース温度差を測定した結果です。温度差はどの条件でも 5 ℃以下であることがわかります。3-3 EMI シールド構造 EMI シールド構造を作成する一般的な方法は、レセプタクル部分に金属メッキを施すことです。金属メッキはコストがかかるため、著者らは、レセプタクル部分にメッキ処理を施す代わりに、内部の板金部品を 3 次元的に組み立てることによって EMI シールドを実現する新しい構造を開発しました。図 9 は、16 個の DWDM-SFP の EMI 測定結果です。米国連邦通信委員会 (FCC) では、電磁放射を 54 dBuV/m 以下に厳しく制限することを規定しています。
回路基板や波長制御技術にもいくつかの開発がありますが、ここでは詳細には説明しません。
結論
著者らは、DWDM用途向けにSFPサイズの2.5Gbps光トランシーバの開発に成功しました。ペルチェ素子を内蔵した小型同軸TOSA、最適化された放熱構造、新開発のトランシーバICを搭載した高密度実装基板の開発により、小型化と低消費電力（1W）を実現しました。さらに、最適化されたTOSA設計とCPUによる高精度な波長制御により、トランシーバは良好な波長安定性を実現し、直接変調LDの温度制御のみで100GHzグリッド間隔を十分に満たしています。さらに、長距離伝送においても優れた特性が得られました。今後は、さらなる低消費電力化やRoHS指令対応など、より付加価値の高いDWDM-SFPの開発を計画しています。SFPやDWDM/CWDM/OADMに関する専門知識をご希望の場合は、fiber-mart.comまでお問い合わせください。ここでは、CWDM/DWDM/モジュール、CWDM OADM、DWDM OADMモジュール（DWDM 1チャネルOADMなど）などの製品を提供します。
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