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ナノテク情報

デバイス・応用

シリコンフォトニクス技術を活用した小型の16波長多重光回路チップを開発 ~データセンターや高性能コンピューティング内の大容量光接続を目指す~

 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と技術研究組合光電子融合基盤技術研究所(PETRA)は2019年9月20日,データセンター(DC)や高性能コンピューティング(HPC)内の大容量光接続に向けた小型の16波長多重光回路チップを開発したと共同発表した.本研究は,NEDOの「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」事業の一環で実施された.本成果は,アイルランドのダブリンで9月22~26日に開催された世界最大級の光通信国際会議「ECOC(The 45th European Conference on Optical Communication)2019」でPETRAから発表され,当該国際会議で発表された論文の中から「Highly Scored Paper」に選出され高い評価を得た(注).

 クラウドコンピューティングやビッグデータ分析,機械学習などの技術の発展に伴い,DCやHPC内での情報伝達量は増加し続け,サーバー間では電気配線に代わり光配線が適用されている.2025年には,現在比5倍となる1ノード当たり10Tbps以上の伝送帯域が求められる.伝送容量増加方法として,1本の光ファイバーに複数の異なる波長の光信号を同時に乗せる波長多重技術が有望であるが,多数の光を合分波する超小型の波長多重光回路が必要となる.また,高い伝送密度を低コストで実現する微細加工プロセス技術が必要で,Siを材料とするシリコンフォトニクス技術が注目されている.

 こうした背景から,NEDOとPETRAは2013年度からSiフォトニクス技術で波長多重光回路を小型化するプロジェクトに着手した.そして今般,DCやHPC内の大容量光接続に向けた16波長多重光回路チップ(1.7mm×2.8mm)を開発し,1波長当たり32Gbpsの高密度信号伝送での動作を確認した.

 今回開発した16波の波長多重光回路では,①偏波分離,②2波長帯分離,③8波長分離,の3段階が直列に構成される.①偏波分離では,TE波とTM波の2つの偏波に分離する.②2波長帯分離では,遅延マッハ・ツェンダー干渉型フィルタで,1539.8~1545.3nm帯と1552.0~1557.5nm帯に分離する.③8波長分離では,アレイ導波路回折格子型フィルタで,各波長帯の中の8波長を分離する.16波長×2偏波=32チャンネルが分離されて出力される.こうした構成と,新規開発の高精度Si微細加工プロセス技術により,素子サイズの小型化と,偏波無依存の合分波動作を実現した.同じ機能を待つ波長多重光回路を従来のガラスで作製した場合,サイズが数cm角まで大きくなってしまうが,この光回路を用いることでサイズを数mm角に縮小でき,LSIと光回路を3次元実装する光電子集積インターポーザーに適用することが可能になる.この波長多重光回路に任意偏波の32Gbps高速光信号を伝送し,16波全ての波長について光信号の劣化なく合分波が可能であることを確認した.

 今後NEDOとPETRAは,今回開発した16波長多重光回路を集積した光電子集積インターポーザーの開発を進め,DCやHPC内に向けた大容量光接続の実現を目指す.それを通じて,大量のデータを処理する人工知能(AI)や大量のデータを収集するIoTの発展につながることが期待される,としている.

(注)Seok-Hwan Jeong, Yosuke Onawa, Daisuke Shimura, Hideaki Okayama, Tsuyoshi Aoki, Hiroki Yaegashi, Tsuyoshi Horikawa  and Takahiro Nakamura, "Silicon Photonics Based 16 λ - WDM Demulti-plexers for Operating in C-band and O-band Spectral Regimes", The 45th European Conference on Opti-cal Communication (ECOC 2019), M.1.A.3 (Highly Scored)