サブサブテーマ1-② 光電気変換部集積化技術の開発 富士通株式会社 松井 潤 2008年2月19日 1 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 発表内容 １．目標・課題 ２．光モジュールの設計・試作・評価 ３．まとめ 2 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 １．目標・課題 3 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 サブサブテーマ1-2 光電気変換部集積化技術の開発 適用領域：ボード間接続（1Tbps） システム ｲﾝﾀﾌｪｲｽ IC 光ファイバ システム ボード ボード 光電気変換部 目標サイズ (CPU, Memory) スイッチ ボード 2/4期 光電変換部の 高速設計 光信号 電気信号 システム ボード 光モジュールの 小型集積化 アレイ光ファイバ 10mm L×10mm W×5mm H H17年度 3/4期 基本設計 調査・仕様検討・調達 H18年度 4/4期 １次試作評価 性能評価 上期 下期 H19年度 上期 下期 改版設計・２次試作評価 設計見直し・評価 設計 まとめ 4 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 既存技術でシステムボード間の テラビット級伝送を実現しようとすると・・・ XFP光ﾓｼﾞｭｰﾙ（10Gbps×1ch） 78L x 18W x 8.5H (mm) Infiniband Cable（2.5Gbps×4ch） 67L x 25W x 14H (mm) ボード上に並ぶコネクタの幅は ２メートルを超えてしまう コネクタの配置幅を30～40cm以下にするために 40Gbpsあたり12～16mm間隔で並べることが必要 ⇒ 幅10mm以下の40Gbps光電気変換モジュール 5 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 超小型アレイモジュールの課題 光素子アレイ 筐体 電気配線 光ファイバ アレイ 光ファイバ ホルダ IC （光素子の駆動回路 or 微小信号増幅回路） モジュール内部の回路基板 システムボードとの電気コネクタ ・光ファイバアレイと光素子アレイの簡易光結合 ・発光素子の放熱 （クーラーレス動作⇒省電力化） ・光素子アレイと ＩＣ との間の多ch高速配線 ・システムボードとの着脱機構の小型化・簡易化 6 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 ２．光モジュールの設計・試作・評価 7 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 光ファイバアレイと光素子アレイの簡易光結合 送信部 受信部 “Chip on flexible film” “90 degree bent wire” ヒートシンク ビア付き サブキャリア フォトダイオード 光ファイバ 垂直共振器型 面発光レーザ (VCSEL) 光出力 ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ 配線ﾌｨﾙﾑ ワイヤ 90度屈曲ワイヤ 受信 IC 駆動 IC 光モジュール基板 光ファイバ 光モジュール基板 特長 ・光ファイバとの直接結合 （レンズやミラーが不要で組立が簡易） ・９０度屈曲電気配線 （モジュールを薄くできる） VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser 8 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 送信部の放熱設計 光ファイバ ホルダ ﾋｰﾄｼﾝｸ 放熱経路 VCSELチップ の発光部 配線金属 絶縁樹脂 支持材料 光ファイバ ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ 配線ﾌｨﾙﾑ 配線金属 ﾊﾟﾀｰﾝ Ａ “突出細線” ヒートシンク接触面 配線幅小 VCSEL搭載面 0℃ 配線金属 ﾊﾟﾀｰﾝ B “半田ﾊﾞﾝﾌﾟ” ボンディング電極の表面処理により 半田バンプ溶融広がりを抑制 距離大 チップ昇温 30℃以上 VCSELチップ の搭載位置 （点線） 放熱経路のボトルネックは VCSELのフリップチップボンディング 電極の突出細線部にあることを シミュレーションで確認 +10℃ +20℃ 突出細線部をベタ電極へ変更し 熱抵抗を１/３以下に低減 +30℃ ヒートシンク接触面 VCSEL搭載面 0℃ チップ昇温 10℃以下 +10℃ +20℃ +30℃ VCSELチップの昇温がヒートシンク に対し10℃以下になることを シミュレーションと実測で検証 9 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 送信部の高速化 ワイヤ直結 光出力 光ファイバ VCSEL 駆動 IC 100ps ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ配線ﾌｨﾙﾑ接続 光ファイバ 光出力 VCSEL 駆動 IC ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ 配線ﾌｨﾙﾑ 100ps フレキシブル配線フィルムのインピーダンス整合とGND強化によって ワイヤ直結と同等の良好なアイ開口特性（10Gbps光出力）を検証 10 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 受信部の高速化 10Gbps受信に必要な 実装キャパシタンス： 180 fF 以下 ビア付きサブキャリア (80 ⇒30 fF) ﾌｫﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞ 90度屈曲ワイヤ (150 fF) 受信IC ①90度屈曲ﾜｲﾔの長さを 1.5mm以下（＜150 fF）に 制御する組立工程を確立 100 電源端子 容量 (fF) 80 ②サブキャリアの厚さを 160μm以下（＜30 fF）に 低減するとともに、 ワイヤボンディング時の 応力に対し、サブキャリア の変形等に起因するPD の劣化がないことを確認 信号端子 60 Ｔs 40 30 fF 20 160mm 0 0 100 200 300 400 サブキャリア厚さ Ts (mm) 500 11 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 システムボードとの着脱機構 10Gbps×4 ch 光電気変換部 8 mm W 9 mm L 10Gbps 電気コネクタ の小型化・簡易化 光電気変換部 押圧用バネ 筐体カバー 4 mm H カバー固定用ツメ 光ファイバ接続部 fiber 光電気変換部 インタポーザシート ガイドピン （0.8mmφ） ガイドピン 筐体カバー 台座 筐体カバー 台座 ｲﾝﾀｰﾎﾟｰｻﾞ ｼｰﾄ アレイモジュール （光電気変換部） マザーボード 筐体カバーの幅を含めて 目標の小型化を達成 マザーボード （特性評価用） 筐体カバー (10mm幅) 光ファイバ接続部 12 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 10Gbps×4ch 送信モジュールの特性 ヒートシンク 光ファイバ VCSEL 光出力 ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ 配線ﾌｨﾙﾑ 10 Gbps変調時の光出力波形 環境温度 0℃ (変調電流：10 mAp-p) 25℃ 45℃ 70℃ 隣接ch OFF 隣接ch ON 小型＆クーラーレス動作を検証 ⇒ 省スペース・省電力に効果 13 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 10Gbps×4ch 受信モジュールの特性 ﾌｫﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞ ビア付きｻﾌﾞｷｬﾘｱ 10Gbps受信時の符号誤り率特性 90度屈曲ﾜｲﾔ 受信 IC 光ファイバ 光モジュール基板 最小受信 レベル -15.5dBm 小型＆高感度を検証 ⇒ 高密度・大規模システムに適用可能 14 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008 サブサブテーマ1-2 まとめ 新しい光アレイ実装技術を開発 ・Chip on flexible film ・90 degree bent wire 10 Gbps×4 ch光電気変換モジュールを試作 小型化目標（10mmL×10mmW×5mmH以下） を達成 開発技術の成果展開 ・次世代HPCの光インターコネクト ・データセンターの光化 ・民生機器の光伝送ポート（例：USB3.0光版） 15 All Right Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008
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