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 25 6010 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. 586-593 09, 2013
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 25 60 10 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, 2013 587
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
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 2 7-1 InP-SOA Si 25 60 図 -4 FUJITSU. 64, 5 09, 2013 589
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 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 3.33 µ SiON ー ーク ッ ス ット 器 b Si-SOA 1 0 2 1 0 1 2 µm c -5 Si 光 mw 15 10 5 20 9.8 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 15.0 mw 5 150 200 3.0 mw -6 Si I/O Si I/O CWDM Coarse WDM 10 nm CWDM 4Si 4Si 図 -74 Si FUJITSU. 64, 5 09, 2013 591
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 0.5 m 4Si CWDM DBR FSR Free Spectral Range MZ 光 dbm 10 0 10 20 30 40 50 ch1 ch2 ch3 ch4 60 1530 1550 1570 1590 nm 12 0.5 nm 38 db 5 dbm/ -8 4Si 4 70 ma SOA 図 -8 12 19 ma4 Si-SOA FSR 12 0.5 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 1 A. V. Krishnamoorthy et al. Computer systems based on silicon photonic interconnects proc. of IEEE Vol.97 No.7 p.1337-1361 2009 2 S. 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. Jeong et al. Hybrid laser with Si ring resonator and SOA for temperature control free operation with ring resonator-based modulator GFP2011 172 2011 4 T. Akiyama et al. Wavelength-Tuning-Free 10-Gb/s Operation of a Silicon-Integrated Resonantly- Enhanced Modulator and Single-Mode Laser GFP2012 FD3 2012 5 S.Tanaka et al. High-output-power singlewavelength silicon hybrid laser using precise flipchip bonding technology Optics Express Vol.20 p.28057-28069 2012 6 S. Tanaka et al. Four-wavelength silicon hybrid laser array with ring resonator based mirror for efficient CWDM transmitter OFC2013 OTh1D.3 2013 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, 2013 593