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PRESS RELEASE

2017年9月19日
富士通株式会社
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

世界最高伝送密度の光送受信技術と高速省電力の光変調伝送技術を開発

サーバーの処理速度の大幅な改善に大きく貢献

概要

AIやIoTなど技術革新に伴う将来のサーバーシステムの高性能・高効率化に向け、プロセッサを多数接続するシステムの大規模化が進められており、サーバーシステム内のデータ伝送容量の拡大が重要な課題になっています。しかし、従来の電気配線を用いたデータ伝送のみでは限界があるため、データ伝送を光で行う手法が期待されており、具体的には光素子とそれを駆動する電子回路を複数並べて全体として大容量化を図る方法が検討されています（図2）。このような背景のもと、NEDOプロジェクトの「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」において、技術研究組合光電子融合基盤技術研究所（PETRA）、富士通株式会社、株式会社富士通研究所の共同研究体制で、データ伝送容量の拡大に向けた高密度・小型光送受信器技術、高速・省電力送信器技術の開発を進めてきました。

今般、プロセッサのパッケージ上に搭載可能な約1cm角のチップサイズで、25Gbps（注1）で16チャンネルの400Gbpsで動作する世界最高伝送密度のシリコンフォトニクス（注2）光送受信器を開発しました（図1）。また、開発した光送受信器をさらに高速化するための技術として、1Gbpsあたり1.6mWの消費電力（従来の40％減）で1チャンネル56Gbpsの高速光信号を発生するPAM4（注3）光送信器技術も同時に開発しました。

今回開発した技術により、高密度の光送受信器をプロセッサ近傍に複数配置して、従来の伝送帯域の2倍となる、約2Tbps（注4）の光伝送が実現できるようになり、サーバーの処理速度改善に大きく寄与することが期待されます。

今回の成果

従来の光送受信器では、光回路に搭載できるレーザー素子のサイズ、駆動電子回路のチャンネル数が構造上制限されるため、光回路のサイズ・容量が制限されていました。また、光送受信器を高密度化すると、送信器と受信器間の距離が近くなり、信号の電気的な干渉が発生するため、この影響を抑えて送信器、受信器を高密度に集積することが課題でした。今回、これらの課題を克服した技術的なポイントを以下に示します。

1. 小型・大容量シリコンフォトニクス光送受信技術
   1. 小型・大容量光回路技術

      8mm×9mmで400Gbps動作が可能な小型シリコンフォトニクス光回路を開発しました（図3）。この光回路は16個の光変調器（注5）を配列した光送信部と、16個の受光器を配列した光受信部で構成されています。PETRAではこれまで、シリコンフォトニクス上に光回路の光源であるレーザー素子を複数搭載する技術を開発しており、今回、それを初めて光送受信器に適用しました。

      光回路の光源としてレーザー素子を搭載する必要がありますが、その端子構造と、駆動電子回路を搭載する端子構造が異なるため、これまで単純に一つの回路として形成することは困難でした。今回、レーザー素子搭載端子をリフトオフ（注6）と呼ぶ方法で形成することにより、この2種類の端子をシリコンフォトニクス上に形成する技術を確立し、光送受信器用の新しい光回路端子構造を実現しました。また、実装時にレーザー素子、駆動電子回路、および光信号の入出力を行う光ファイバーが互いに干渉しないよう、光回路の構成を工夫し、チップサイズを最小限にしながら、大容量を実現しました。

      
      図3 開発したシリコンフォトニクス光回路

   2. 高密度電気インターフェース技術

      光送受信器を高密度に形成するには、多数の電気信号の入出力とその電源配線を、互いに干渉することなく接続することが必要となります。PETRAではこれまで、2次元アレイ状の高密度な端子を、高速かつ高密度に電気信号を通すことができるガラスセラミックインターポーザを介して駆動電子回路に接続し、駆動電子回路でガラスセラミックインターポーザとシリコンフォトニクス光回路をブリッジ状に接続する実装構造を開発しています（図4）。今回、これを光送受信器に初めて適用し、電気信号・電源を高密度かつ高品質に供給することが可能となりました。光回路の送信部と受信部間の電気的な干渉による受信性能の劣化については、送信部と受信部間にシールド構造を導入して電気的干渉を抑制し、さらにブリッジ実装構造の特長である高密度配線を活かしてガラスセラミックインターポーザ内の配線を工夫することでノイズを除去して電源の品質を向上しました。

      なお、本開発技術は、（株）富士通研究所の回路・光ファイバー実装技術をベースに、PETRAが全体設計、および実装技術開発を行ったものです。

      
      図4 光送受信器実装・配線構造

2. 高速省電力化技術

   また、上記の光送受信器をさらに高速化するための技術として、4つの電圧値のパルス振幅で制御する方式を用いて、1Gbpsあたり1.6mW（従来比40％減）の消費電力で56Gbpsの高速光信号を発生するPAM4光送信器技術も同時に開発しました（図5）。PETRAではこれまで、電力を消費しない受動素子で構成した帯域補償回路による光送信器を開発しており、本光送信器とそれを駆動する電子回路とをはんだバンプにより直接電気的に接続することで、回路の負荷を低インピーダンスにし、高速かつ省電力動作を実現しました（図6、図7）。

   
   図5 高速・省電力光送信器構造

   
   図6 光送信器の動作速度比較

   
   図7 56Gbps-PAM4高速光信号波形

今後の予定

今後、開発した光送受信器技術を光モジュールに適用し2019年度の実用化を目指します。また、NEDOプロジェクトにおいては、開発した技術を高密度の光送受信器に適用することにより、光送受信器のさらなる高密度化・省電力化の実現を目指します。

注釈

注1 Gbps：

通信回線などのデータ伝送速度の単位で、1秒間に1ギガ（1x109）ビットのデータを伝送する速度。

注2 シリコンフォトニクス：

シリコン基板上に光素子を形成する技術。シリコンを用いることにより光回路を小型化でき、大規模集積が可能になる。また、光回路と電子回路の一体形成や製造コストの低減が可能になるなどの特長を持つ。

注3 PAM4：

PAMは、Pulse Amplitude Modulation（パルス振幅変調）の略。4つの電圧値のパルス振幅で制御することで、通常の2倍の情報量となる4値のデジタル値（00、01、10、11）に変換できるようにしたパルス振幅変調方式。

注4 Tbps：

通信回線などのデータ伝送速度の単位で、1秒間に1テラ（1x1012）ビットのデータを伝送する速度。

注5 光変調器：

入力された電気信号を光の信号に載せ換える素子。電気信号によって光が感じる屈折率を変化させることで、デジタル電気信号をデジタル光信号に変換する。

注6 リフトオフ：

薄膜のパターニング方法の一つ。基板上にレジストと呼ばれる保護膜でパターンを形成し、その上から金属などを成膜した後、レジストを溶解すると、レジストがなかった部分にだけ金属膜が残り、所望のパターンを形成できる。

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