光インタコネクション技術の研究動向

株式会社 日立製作所 情報通信事業部 開発センタ 花谷 昌一

　１９８０年代に長距離大容量伝送技術として実用化が開始、今日までの情報化社会を支えてきた光ファイバ通信は、今新たな展開を迎えようとしている。即ち、２１世紀のマルチメデイア社会実現に向けて、従来の数桁倍の情報処理能力を有する新しい情報インフラストラクチャ構築可能とするハードウエア技術への展開である。

　今日までの大型計算機や大容量交換機に代表される情報処理装置は、論理LSIの高集積・高性能化及び高密度ボード実装技術により飛躍的な進歩を遂げてきた。しかし、これらの装置間・装置内の信号配線の高速・高密度化が新たな性能向上のボトルネックになってきた。同様にＬＳＩ内部でも、高集積化に伴い信号配線微細化からくる信号遅延時間の増大と入出力信号ピン数の増大及びこれに伴う消費電力増大による配線ボトルネックが生じている。これらの配線ボトルネックを克服し、高速高密度配線を実現する技術革新として、光インタコネクションが注目されている。

■光インタコネクション

　光インタコネクションの技術範囲は広く、図１に示すような接続距離、接続切替方式（形態）、多重化方式を軸に多角的に分類することができる。接続距離の軸は光インタコネクションの適用領域を示している。サイト間、装置間、ボード間、モジュール間、チップ間とチップ内と情報処理装置の構成要素の階層に応じた適用がある。接続形態は、データ転送速度と切替速度との関係で（１）固定接続、（２）回線交換乃至は回線再配置的接続、（３）ビット毎に切替えの動的接続の３種類がある。接続距離と接続形態の軸でできる平面に光インタコネクションのシステム技術を見ることができる。光配線から全光ネットワーク、クロスポイントスイッチ、光コンピュータや光論理がある。

　多重化方式には空間、時間及び波長多重の３つがある。これと接続形態の平面に鍵となる光機能素子をマッピングできる。ファイバアレイ、光スイッチ、波長可変光源や波長変換素子が代表例である。これらシステム及びデバイス技術の成熟度とニーズとにより、対応した光インタコネクションが今後実用化されていくことになる。

　その中でこの数年、接続距離10～100m程度、固定接続、空間多重（並列伝送）装置間・ボード間光配線技術の研究開発が世界的に活発になっている。従来の同軸ケーブルバンドルを光ファイババンドルに置き換えて高速高密度信号配線し、高性能・コンパクトで且つスマートな高度情報処理装置の実現を図るものである。

　本トピックスでは、この光ファイバアレイを用いた並列同期転送による装置間・ボード間光配線技術の研究開発動向を紹介し、光インタコネクション技術を展望する。

図２　装置間・ボード間光インタコネクションを用いた計算機システム

■装置間・ボード間光インタコネクション

　光ファイバには、広帯域低損失伝送路として高速長距離転送を可能にする特長に加え、軽量、細径で耐EMI性に優れ、接地フリーという高密度配線に適した特性がある。装置間・ボード間光インタコネクションでは、この特性を生かし、長距離・大容量・高密度配線を実現する。図２は、この装置間・ボード間光インタコネクションを用いた計算機システムイメージである。図からわかるようにボード端には、電気コネクタに代わり光コネクタが並び、各装置間又はボード間を光ファイバアレイで自由に接続出来る。データ信号を光d気変換、電気・光変換する送受信光モジュールは、論理Ｉ／Ｏ部周辺近くに設置される。これにより、論理Ｉ／Ｏ部は高速長距離データ転送インタフェイスの設計から解放され、例えば、駆動能力は高いが消費電力も高いバイポーラトランジシタからＣＭＯＳ技術により全ての論理部を構成可能となる。従って、光インタコネクションは、配線ボトルネックの解消のみならず、さらに論理部の高機能化も可能とし、一層のシステム性能向上や今迄にない高機能システム実現が期待できる。

　図３は、装置間・ボード間光インタコネクションの基本構成である。複数チャネルをアレイ集積化（例えば１０チャネル）した電気/光及び光/電気変換モジュールと光ファイバアレイを用い、共通クロックでデータを再生する並列光同期転送である。

図３　光インタコネクションの基礎構成

これを実現する主要技術課題は、
(1)　遅延時間ばらつき（以下スキュー）低減
(2)　直流且つエラーフリー（極低誤り率特性）伝送
(3)　送受信モジュールの高集積小型化、低消費電力化
(4)　高信頼化及び低価格化
である。

　これらに対し、多様なアプローチが報告されている。図４のようにモジュール形態、ピッグテイル型、レセプタクル型及びアクテイブコネクタ型で分類することができる。何れにも一長一短があるが、１ｍ程のファイバをつけたピッグテイル型が主流である。ボードスループット向上には、小型低損失の光コネクタ及びアダプタの開発が必要である。

図４　光インタコネクトモジュール形態

　表１は、これまでの報告実験例を発光素子とファイバの組合せでまとめたものである。即ち、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)/ＭＭＦ(Multi- Mode 　Fiber)，ＬＤ(Laser-diode)/ＭＭＦ，ＳＭＦ(Single-Mode Fiber)とＶＣＳＥＬ(Vertical　Cavity Surface-emitting Laser -diode)/ＭＭＦの３つである。

表１ 光インタコネクトモジュールの報告例

　ＬＥＤは特性の温度依存性が小さく、ファイバとの光結合が容易なため、当初より開発が活発である。ＮＥＣより25mAの低駆動電流で622Mb/s動作可能なＬＥＤアレイを用いて、200Mb/s/ch転送可能が報告されている。ＡＴＭ(Asynchronous Transfer Mode)交換機搭載も試みられた。ＡＴ＆Ｔはファイバアレイの各光路長を調整して、200Mb/s、1km転送に成功している。4: 1多重分離ＣＭＯＳ－ＬＳＩを開発して、500Mb/s/ch動作も得ている。

　ＬＤはＬＥＤに比べ発光効率が高く、高速動作可能なので200Mb/s以上の高速配線に有望である。しきい電流(Ith)のＬＤ間バラツキと温度変化による発光遅延の変化が出力波形パターン依存性とスキュー要因となる。駆動回路簡素化のため、低しきい電流、高均一特性のＬＤアレイ開発が必須である。LD駆動（変調＋バイアス）電流に温度依存性を持たせるのも有効である。ＬＤを用いた高速転送実験は東芝より最初に報告された。 ＳＭＦのスキューは2ps/m以下と、ＭＭＦ15ps/mの数分の一であり、数10m以上の長距離にはＳＭＦが適している。ＬＤ/ＳＭＦを用いた200Mb/s/ch, 100mの高速長距離転送実験が日立より報告された。低スキュー化のためにIthを従来の１０分の１以下、3mA以下のＬＤアレイを開発している。平板マイクロレンズアレイを用いた光結合方式により0.76ccという小型パッケージを実現した。高速転送実験は、富士通より622M,1.2Gb/s/ch、日立より800Mb/s/chと、Siemensより1Gb/s以上の報告がある。

　ＬＤの高速応答性を利用した時間多重化方式による高スループット化の報告もある。光モジュールの小型低消費電力、低価格化に有望な方式と考えられる。富士通は、155Mb/s信号に対し、4:1多重方式でスループット3G b/sを報告した。フレームビットをＣビット化し、これを基準にデータの並べ替えを行うことで、高速化に伴うスキューの問題を論理的に処理している。クロック供給方式、フレーム同期および同期回復時間低減が今後の課題である。

　VCSEL(面発光ＬＤ）を用いた研究が米国を中心に活発である。VCSELは発光パターンの調整が容易で、このためファイバとの高効率光結合が可能である。ヘキ開工程が不用のため、オンウエハ検査可能等から高性能・低価格化に有望と考えられる。GaAs系材料が用いられているため、高信頼・長寿命化が今後の課題である。ＡＲＰＡ(Advanced Research Project Agency)の支援で、ＯＥＴＣ(GE, AT&T, Honeywell、IBM)とＰＯＬＯ(HP, Du Pont, AMP, USC, SDL)が研究開発を行っている。共にスループット10Gb/s以上のＷＳ用光リンクを目指している。Motorola社は独自にVCSELを開発しトランシーバ型レセプタクルモジュールを発表している。

　VCSELを用いた光インタコネクションは、素子の高信頼性、スキューやモーダル雑音等の技術課題が現在あるが、小型・低価格化に極めて有望であり、今後一層その研究開発は活発化すると考えられる。

写真１　ＣＭＯＳインタフェイス、＋３.３Ｖ動作１２チャネル集積化光インタコネクトモジュール

■システムへの適用と今後の課題

　写真１は、ＣＭＯＳインタフェイス、集積チャネル数１２、＋3.3Ｖ単一電源動作の光インタコネクトモジュールの外観写真である。チャネル構成は11データとクロック専用チャネルからなり、200Mb/s/chで100ｍ転送可能である。１チャネル当りの消費電力は最大200mW、0～80℃まで動作可能である。光コネクタには、プッシュオン型MPOコネクタを採用している。アンフォーマットデータ転送が可能なため、様々なシステムに適用可能である。これを１６個用いてスループット20Gb/ sのＡＴＭ交換機用スイッチボードが報告されている。計算機へは、本プロジェクト（ＲＷＣＰ）で開発中の超並列計算機ＲＷＣ１への適用が試みられている。写真２は、１６個の光インタコネクトモジュールを用いたプロセッサノード通信用テストベッド用ボードである。20ｍのファイバを通したエラーフリー転送を確認し、ＲＷＣ１への適用見通しを得ている。現在、光インタコネクション用プロセッサボードを開発中である。

写真２　光インタコネクションを用いた超並列計算機ＲＷＣ１テストベッドボード

　このように光インタコネクションは実用化されつつあるが、幾つかの課題がある。その一つが、低価格化である。光デバイス、パッケージ、組み立てコストの低減が必要であるが、最大の動力は数量である。従って、汎用性のある光インタコネクションの標準化が課題となる。このハード（デバイス、実装）、システムが協力して進める必要がある。次に、高信頼化である。システムに大量導入するためには、従来の光通信用と比較して桁違い信頼性が必要である。特にレーザ、光コネクタ、光結合の高信頼化が鍵となる。光コネクタは挿抜時の劣化が問題となり、小型、セルフシーリング且つフローテング機能の開発が望まれる。

■光インタコネクションの展開と結び

　光ファイバを用いた装置間・ボード間光インタコネクションは、長距離高密度配線だけでなく、ＬＳＩから入出力インタフェイスの負荷を解放し、より高性能高機能化を可能とする技術として、確実に実用化に向かうであろう。次に光ファイバが実装上の課題となり、プリント基板やマルチチップモジュール基板に光ファイバや光導波路を導入する光バックプレーン技術が必要になる。面発光レーザ、光導波路基板、光表面実装等の要素技術にブレークスルーが期待される。このような要素技術開発とともに、ＩＣ間・ＩＣ内光インタコネクション技術が立ち上がるであろう。ここでは、発受光素子の集積化も鍵となる。

　図５は、これらの技術を用いて作られた３次元マルチチップ光インタコネクトモジュールのイメージである。来たるべき２１世紀もマルチメデイア時代を支えるキーテクノジーに発展していくものと信じている。

図５　３次元マッチチップIC 間・IC内光インタコネクトモジュール

　これまで見てきたように光インタコネクションは、これまでの情報化社会を支え、今後も鍵となる半導体技術と、２１世紀を支える光通信技術が融合し、新たな情報システムを実現可能とするハードウエア技術である。本ＲＷＣＰは、我が国がこの光インタコネクション技術を発展させ、さらに世界に先駆け斬新な情報システムを提案していく格好の研究機関である。今後益々ＲＷＣＰの成果を期待すると共に、この成果がわが国の情報産業発展に寄与することを願っている。