世界首创，开发了可将光IC和LSI一体集成的三维光配线技术 ―支持新一代标准112Gb/s的高速光传输，大幅省电―

世界首创，开发了可将光IC和LSI一体集成的三维光配线技术 ―支持新一代标准112Gb/s的高速光传输，大幅省电―

在NEDO推进的“超低功耗型光电安装系统技术开发”中，技术研究组合光电子融合基础技术研究所( PETRA )在世界上首次开发了能够低损耗传输通信波段光信号的光IC光纤间的三维光布线技术，在试制样品中，作为新一代标准的每秒112千兆位的光信号在超过80℃的高温环境下传输，证实了其有效性。由于通过有效利用三维光配线技术，可以将从LSI (大规模集成电路)到光IC的电气配线距离缩短到极限，因此与现有技术相比，预计将大幅削减30%~40%的电量。 PETRA将在今年7月3日~7日召开的亚洲最大的光通信国际会议“OECC ( OPTO电子与通信大会) 2021”上公布本成果。

1 .概要 随着人工智能( AI )和IoT等的迅速普及，在数据中心和高性能计算功耗增大的情况下，面向能够实现省电化等的光配线化的开发加速，近年来光传输的高速、大容量化的需求不断高涨。 因此，为了以低功耗实现高速、大容量光传输，将LSI (大规模集成电路)和硅光子学※1集成的光IC※2的封装※3备受瞩目。 为此，2020年底开始了标准化讨论，以加速以每秒112千兆位的高速光信号工作的封装的实用化。 但是，在目前的封装中考虑采用的、利用电气布线将多个模块型光IC连接到远离LSI的基板端面的方式(图1左上)中，由于LSI和光IC之间的电气配线较长，耗电量增大，发热增加，因此据说每秒51.2 terabit※4的处理是极限。 因此，需要每秒51.2 terabit处理的低功耗化和进一步高速处理的新技术。在这样的背景下，在国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构( NEDO )推进的“超低功耗型光电安装系统技术开发※5”中，技术研究组合光电子融合基础技术研究所( PETRA )迄今为止致力于光IC和光纤的高精度光安装技术的开发。 而且这次，世界上首次开发了可以低损失传输通信波长带的光信号的光IC光纤间的三维光配线技术。 另外，利用试制样品在超过80℃的高温环境下传输了新一代标准——每秒112千兆位的光信号，证实了其有效性。 由于通过该三维光配线技术可以将光IC配置在LSI的正下方(图1左下及右)，因此可以实现将从LSI到光IC的电气配线距离缩短到极限的一体集成，与目前研究开发的封装相比，预计可以大幅削减30%~40%的电量。 PETRA将在今年7月3日~7日召开的亚洲最大的光通信国际会议“OECC ( OPTO电子与通信大会) 2021”上公布本成果。

图1三维光布线技术的概念图

2 .这次的成果 【1】三维显微镜的开发 通过波导的光的截面积在构成光IC的硅光波导※6中和聚合物光波导※7中相差10倍以上。 另外，由于两者的折射率也有很大不同，在通信波段直接连接会产生很大的光损失。 因此，需要在连接部分转换光束形状的技术。 此次，使用三维光布线技术，通过在基板上形成相对于来自硅光波导的输出光沿垂直方向反射的非球面镜，从而最佳地控制光的光束直径，并且通过与上部的45度反射镜并用，开发了在三维自由控制光的路径的基础上连接到聚合物光波导的采用三维光配线技术的微镜(图2 )。

图2此次开发的三维微镜

【2】高温高速动作的实证 此次开发的三维显微镜使用了热膨胀系数※8相差2位数的硅和聚合物，因此对高温动作的影响令人担忧。 另外，在高速光信号中，由于硅光波导、微镜、聚合物光波导之间的多重反射等，波形也有可能恶化。 因此，在高温下通过高速光信号进行了动作验证。 首先，使用作为封装的下一代标准设想的PAM4(4(四值脉冲振幅调制)方式※9，确认了1通道的传输率为每秒112千兆位的光信号相对于试制样本进行光传输，信号波形没有恶化(图3中央)。 其次，还在数据中心运行所需的85℃的高温下进行了验证，确认了可以在不明显的信号波形劣化的情况下进行光传输(图3右)。 由此，证实了此次开发的新一代软件包的有效性。

图3试制样本中每秒112千兆位PAM4高速光信号的传输结果

3 .今后的安排 今后，PETRA将在本业务中利用此次成果，在数据中心和计算机内实施光回路，实现LSI之间的信息传输速度的高速化和低功耗化。 此外，本业务结束后，将研究进一步的多通道化和波长复用的对应，推进LSI和光IC的一体化集成技术的开发，进行每秒可处理50 TB的封装的研究开发。 这样可以实现数据中心的CPU和服务器内信号的光传输化，以大幅削减电量为目标。 【注释】 ※1硅光子学 是使用在硅电子电路的制造中使用的互补金属氧化膜半导体( CMOS )制造技术和设备制造光器件的技术。 作为能够廉价且高集成化的光器件批量生产的技术备受期待。 ※2光集成电路 是在硅和化合物半导体等单晶基板上集成了光波导、光调制器、半导体激光等光学元件的电路。 ※3公共包装 是为了克服电输入输出的频带功率限制，使LSI和光IC在同一基板上共存的技术。 ※4每秒51.2太比特 为了实现51.2 terabit，需要512通道×每秒112Gb的光收发。 第一代封装需要在512通道的电气布线上布线50mm左右，因此功耗变大，51.2 terabit是极限。 来源:标记文件(微软，USA )，“移动和要求”，ECOC 2020工作区，WS4 ※5超低功耗型光电安装系统技术开发 业务期间: 2013年度~2021年度 网站内部链接业务介绍页面 ※6硅光波导 用于光传输的光纤的材质一般使用石英玻璃，通过将能够比石英玻璃更强地封闭光的硅制成光的传输路径，可以以非常小的尺寸控制光，从而可以实现光器件的大幅小型化、低功耗化。 ※7聚合物光波导 是使用对光透明且具有适当折射率的聚合物材料制作的、具有光通信用的片状或板状结构的传输线路。 ※8热膨胀系数 温度变化1℃时的长度相对变化量。 ※9 PAM4(4值脉冲振幅调制)方式 是脉冲幅度调制( 4值脉冲振幅调制)的缩写，是将2位数据( 00、01、10、11 )作为4个模拟电平的脉冲信号进行传输的强度调制方式。 与将1位数据( 0、1 )作为2个模拟电平的脉冲信号传输的NRZ (非零恢复)代码相比，可以将信息量增加1倍。 4 .咨询方式 (关于本新闻发布内容的咨询方式) 负责NEDO IoT推进部:栗原、丰田TEL:044-520-5211­ 负责PETRA光电子安装研究推进部:中田tel:03-5225-2362 e-mail:m-NA kada @ Petra-JP.org (其他有关还原业务的一般咨询处) 北约宣传部负责人:桥本，坂本tel:044-520-5151 e-mail:Nedo _ press @ ml.nedo.go.jp