CPUパッケージに搭載可能なTbps級シリコンフォトニクス光送信器技術

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えつとこやぎ
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1 CPU Tbps Silicon Photonics Optical Transmitter Technology for Tbps-class I/O Co-packaged with CPU 田中信介秋山知之関口茂昭森戸健あらまし HPC High Performance Computing CPU Tbps I/O I/O I/O Si I/O CPU Tbps I/O I/OSi I/O CPU Si Si Gbps 4Si I/O Abstract In the near future, due to a successive increase in the processing capacity of high-end CPUs, a large I/O bandwidth of more than 1 Tbps will be required in HPC systems and high-end servers. For this, an optical I/O technology that overcomes the limitations of a conventional electrical I/O is attracting much attention. Especially, a large-scale integrated optical I/O chip based on silicon (Si) photonics technology is a very promising candidate for a Tbps-class I/O co-packaged with a CPU. This paper describes the current status of our development of a Si optical transmitter for a Tbps-class optical I/O. In order to place the Tbps-class optical I/O inside a CPU package, we have to develop a low-power-consumption Si optical transmitter that can be operated under temperature-instable circumstances. Therefore, we proposed a novel transmitter scheme that enables stable operation of a highly energy-efficient Si ring modulator without a complex wavelength tuning procedure. With this scheme, we successfully demonstrated wavelength-tuning-free 10 Gbps operation of an integrated Si optical transmitter chip over a temperature range of 25 to 60 C. Additionally, we report on the recent progress in developing a compact, high-performance Si hybrid laser using precise flip-chip bonding technology and a 4-ch integrated Si hybrid laser array for a large-capacity coarse wavelength division multiplexing (CWDM) optical transmitter. 586 FUJITSU. 64, 5, p , 2013

Si 光 I/O ン Tbps 光送信器光器光器光光器光器 Si Si 4Si 光フー -1 Si I/O CPU 高効率 Si 光送信器の波長制御フリー動作 CPUI/O CPU -1 Si

2 まえがき HPC High Performance Computing CPU CPU TbpsCPU I/O I/O CPU Si 1 Si SOI Silicon On Insulator Si WDM Wavelength Division Multiplexing 100 Gbps TbpsCPU 図 -1 SiI/O CPU Tbps Si Gbps CPU & リ CPU パッケージ Si 光 I/O ン Tbps 光送信器光器光器光光器光器 Si Si 4Si 光フー -1 Si I/O CPU 高効率 Si 光送信器の波長制御フリー動作 CPUI/O CPU -1 Si I/O CPU Si I/O CPU I/O Si I/O CW Continuous Wave Si InP Si MZ Mach-Zehnder2 FUJITSU. 64, 5 09,

1 MZ 光器 2 リン光器フリー光送信器 MZ 光器 DFB ーー DFB ーーリン MZ

0 nm 2 Si InP SOA Semiconductor Optical AmplifierSi Si

3 1 MZ 光器 2 リン光器フリー光送信器 MZ 光器 DFB ーー DFB ーーリン MZ 光器 Si リッーーーーリン光器 1 リン 1 nm スケーリンに 0.1 nm 1 nm トンスに 10 DFB Distributed Feedback -2 Si I/O 図 -2 MZ m 0.1 nm -2 Si MZ MZMZ PIN 1.0 nm 2 Si InP SOA Semiconductor Optical AmplifierSi Si SOA 100 nm Si Si DBR Distributed Bragg Reflector DBR 図 -3 a 588 FUJITSU. 64, 5 09, 2013

SiO 2-3 c 2 mm 7.2 m 50 m 30 m 20 i-si p+-si n+-si AlAl 3.

4 SOA Si 光器リン器ー 20 AI ン DBR ーリン器フー FP ー光 a ーー SOI Si SOI コ 250 nm SiO 2 Si クッ器 SiO 2 BOX 480 nm ッン Si ス Si b c Si -3 Si 3-3 b 10 Gbps 480 nm 250 nm SiSOI Si SiO 2-3 c 2 mm 7.2 m 50 m 30 m 20 i-si p+-si n+-si AlAl 3.7 Vpp 10 Gbps PRBS Pseudo- Random Binary Sequence InP-SOA Si 図 -4 FUJITSU. 64, 5 09,

CPUパッケージに搭載可能なTbps級シリコンフォトニクス光送信器技術 60 変調器動作波長高温 50 出力光パワーレーザー発振光 30 25 低温 1550 図-4 1552 1554 1556 波長 nm 1558 10 Gbps 25 60 における集積光送信器の10 Gbps動作特性れも動的消光比6 db以上の良好なアイ開口が確認ズ整合と導波路位置整合が必要になるしかしできた

5 CPUパッケージに搭載可能なTbps級シリコンフォトニクス光送信器技術 60 変調器動作波長高温 50 出力光パワーレーザー発振光低温 1550 図波長 nm Gbps における集積光送信器の10 Gbps動作特性れも動的消光比6 db以上の良好なアイ開口が確認ズ整合と導波路位置整合が必要になるしかしできた以上の結果から今回提案した高効率Si Si細線光導波路は光信号を非常に小さな導波路コ光送信器による10 Gbps波長制御フリー動作が実験アに強く閉じ込めるため導波路端でのスポット 4 的に確認された Siハイブリッドレーザーの小型高性能化サイズは1 µm以下とsoa導波路端のスポットサイズ 2 3 µm より小さくなる課題があったそこで Si細線光導波路の光入出力部に3 3 µmの前章で説明した高効率Si光送信器の波長制御フ誘電体 SiON 導波路コアを覆い被せる形で形成リー 10 Gbps動作実験から高効率なリング光変し Si細線光導波路を伝搬する光パワーをよりス調器を煩雑な波長制御なしに利用する見通しが得ポットサイズの大きな誘電体導波路の導波モードられたしかし SOAとSiチップをレンズ結合しに遷移させるスポットサイズ変換器 SSC Spot た構成は全体のサイズが大きく CPUパッケージ Size Converter 技術を開発した図-5 b 本内への実装には一層の小型化が必要であったま技術の適用により Si-SOA突合せ結合部におけるた光I/Oにおいてより高速な伝送を実現するため両者のスポットサイズは約3.0 µmφとほぼ同じ大にはレーザーには更なる高出力化が望まれるきさになり高い光結合効率が期待できる続いてそこで高精度フリップチップ実装技術を利用し両導波路間の位置整合を実現するため高精度フたSiハイブリッドレーザーの小型高性能化に取リップチップ実装技術を開発した正確なマーカーり組んだ画像認識技術と素子構造の最適化により図-5 c レンズ結合型Siハイブリッドレーザーではに示すとおり水平方向の両導波路間位置ずれに SOAチップとSiチップ間の大きな光結合損失によおいて平均値0.10 µm 分散値0.37 µmと高精度り性能が大きく制限されていたそこで図-5 a かつ高均一な実装を実現した以上の技術を適用に示すようにSOAチップをSiチップに直接フリッして試作したフリップチップ実装型Siハイブリップチップ実装し両者を高効率に光結合させるこドレーザーの特性を図-6に示すレーザーの全体とで大幅な特性改善が期待できるまた本構成長さは数cmから1.6 mmに大きく小型化しているではSOAとSiチップ以外の部品が不要になるためレーザーの発振しきい値電流は48 maから9.8 ma レーザー全体のサイズも大幅に小型化可能であるに低減し 200 ma駆動時の光出力は15.0 mwとこのようなハイブリッド実装形態において高い光従来比約5倍の高出力化を達成している発振し結合効率を得るには両導波路間のスポットサイきい値の解析結果から Si-SOA間の光結合損失 590 FUJITSU. 64, 5 09, 2013

SiO 2 クッ Si SiON BOX SOA ッフリッッ a SOA コ SOA ッ 6 5 4 N 17 µ 0.10 µm 0.37 µm Si ッ 3 2 3.

8 ma 48 ma フリッッ 0 0 50 100 ン SOA ma 4.0 db1.6 db 20 60 4.5 7.6Si 5 波長多重化への展開 15.

6 SiO 2 クッ Si SiON BOX SOA ッフリッッ a SOA コ SOA ッ N 17 µ 0.10 µm 0.37 µm Si ッ µ SiON ーークッスット器 b Si-SOA µm c -5 Si 光 mw ma 48 ma フリッッン SOA ma 4.0 db1.6 db Si 5 波長多重化への展開 15.0 mw mw -6 Si I/O Si I/O CWDM Coarse WDM 10 nm CWDM 4Si 4Si 図 -74 Si FUJITSU. 64, 5 09,

DBR ーリン器 1 4SOA 2 3 1.8 mm 4 DBR ースクトリン器 FSR リン器スクト 4 1 2 3 4-7 4Si Si4 SOA 1.8 1.1 mm Si SOA 4SOA 0.

7 DBR ーリン器 1 4SOA mm 4 DBR ースクトリン器 FSR リン器スクト Si Si4 SOA mm Si SOA 4SOA 0.5 m 4Si CWDM DBR FSR Free Spectral Range MZ 光 dbm ch1 ch2 ch3 ch nm nm 38 db 5 dbm/ -8 4Si 4 70 ma SOA 図 ma4 Si-SOA FSR nm4 592 FUJITSU. 64, 5 09, 2013

5 dbm 38 dbsmsr Side Mode Suppression Ratio CWDM 4 6 むすび HPC TbpsSi Si Si MZ 25 60 10 Gbps Si CWDM4Si Si I/O Si I/O CPU Tbps NEDO PETRA 参考文献

Akiyama et al. 1-Vpp 10-Gb/s operation of slowlight silicon mach-zehnder modulator in wavelength range of 1 nm GFP2010 45 2010 3 S.

Hybrid laser with Si ring resonator and SOA for temperature control free operation with ring resonator-based modulator GFP2011 172 2011 4 T.

Wavelength-Tuning-Free 10-Gb/s Operation of a Silicon-Integrated Resonantly- Enhanced Modulator and Single-Mode Laser GFP2012 FD3 2012 5 S.

8 5 dbm 38 dbsmsr Side Mode Suppression Ratio CWDM 4 6 むすび HPC TbpsSi Si Si MZ Gbps Si CWDM4Si Si I/O Si I/O CPU Tbps NEDO PETRA 参考文献 1 A. V. Krishnamoorthy et al. Computer systems based on silicon photonic interconnects proc. of IEEE Vol.97 No.7 p S. Akiyama et al. 1-Vpp 10-Gb/s operation of slowlight silicon mach-zehnder modulator in wavelength range of 1 nm GFP S. Jeong et al. Hybrid laser with Si ring resonator and SOA for temperature control free operation with ring resonator-based modulator GFP T. Akiyama et al. Wavelength-Tuning-Free 10-Gb/s Operation of a Silicon-Integrated Resonantly- Enhanced Modulator and Single-Mode Laser GFP2012 FD S.Tanaka et al. High-output-power singlewavelength silicon hybrid laser using precise flipchip bonding technology Optics Express Vol.20 p S. Tanaka et al. Four-wavelength silicon hybrid laser array with ring resonator based mirror for efficient CWDM transmitter OFC2013 OTh1D 著者紹介田中信介 ( たなかしんすけ ) I/O 関口茂昭 ( せきぐちしげあき ) I/O 秋山知之 ( あきやまともゆき ) I/O 森戸健 ( もりとけん ) I/O FUJITSU. 64, 5 09,

LSI間を高速･高密度･低消費電力で接続するシリコンフォトニクス光トランシーバー

LSI間を高速･高密度･低消費電力で接続するシリコンフォトニクス光トランシーバー LSI Silicon Photonics Optical Transceiver for High-speed, High-density and Low Power Consumption LSI Interconnect 早川明憲江部広治 Chen Yanfei 森俊彦あらまし CPU CPU CPU Si Si Si Abstract The next-generation servers