成果報告書詳細
管理番号20120000001149
タイトル平成23年度成果報告書 次世代高効率ネットワークデバイス技術開発 研究開発項目2 次世代高効率ネットワーク・システム化技術の開発 3超低消費電力型光電子ハイブリッド回路技術
公開日2012/10/18
報告書年度2011 - 2011
委託先名技術研究組合光電子融合基盤技術研究所 国立大学法人東京大学 学校法人早稲田大学
プロジェクト番号P11004
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成23年度成果報告書 超低消費電力型光電子ハイブリッド回路技術開発事業「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発 研究開発項目2 次世代高効率ネットワーク・システム化技術の開発(3)超低消費電力型光電子ハイブリッド回路技術」
サーバ、ルータ等の電子機器の更なる高速処理・省電力化を図るために、小型・低消費電力化が期待できる光電子ハイブリッド回路の実現可能性、課題等を検討し、以下の結果を得た。(1)回路基板内高速光インターコネクト:ポリマー導波路基板に光源と受光素子を装着した光インターコネクトのプロトを試作し、25 Gbps高速光信号伝送を実証すると共に、実用化に向けた残課題を明らかにした。光源及び装着に関しては、レーザ光源を回路基板に装着した際の温度分布、放熱特性を理論解析し、実際にレーザを試作、装着、評価して解析との一致を確認した。また、150度以下の低温装着技術も開発した。更に、Siフォトニクス基板の裏面にレンズを成型するレンズ一体型光集積基板を検討し、理論解析の結果、回路基板のマルチモードポリマー導波路に対して、送受共に結合効率-3dB以上、実装トレランス±10μmを確保するレンズが設計できることを示した。(2)温度安定化集積光源:Si基板上に温度特性の優れる量子ドットレーザを形成する技術を検討した。特に、金属を介した貼り合わせ技術の改善を図り、閾値電流密度の低減(600→350A/cm2)に成功すると共に、Si基板上のリッジ型量子ドットレーザを初めて実現した。(3)省電力・大容量装置内/装置間集積技術:Siフォトニクスを用いたピッチ変換導波路と合分波器の理論検討を行った。特に、Si細線導波路を用いた遅延干渉型及びアレイ導波路格子型合分波器について、チャネル数/間隔、スペクトル平坦性、波長制御性の観点から課題を抽出した。また、Siの熱光学効果を用いた光経路制御素子の大規模集積・小型化を目指して、熱解析を行った。その結果、8×8規模の光経路制御器を1mm2の微小領域に形成し得る可能性を示すと共に、要求仕様に合せた導波路構造の選択などの課題を抽出した。(4)小型・省電力データ伝送モジュール技術:データセンタネットワーク向けにデジタル信号処理を前提とした光送受信機の機能ブロック構成を検討した。特に、送受信フロントエンド(FE)の特性不完全に着目し、伝送特性に影響する送受信FEの特性項目を抽出した。特性補償をデジタル信号処理で行う手法を検討し、FIRフィルタの必要タップ数をシミュレーションにより検討した。また、光半導体素子や信号処理LSIをPLCプラットフォームにハイブリッド集積する実装技術および高速電気配線技術を検討し、100Gbps伝送に必要な光受光および電気特性を実現できることを示した。更に、搭載する集積型半導体レーザ素子の目標性能および波長安定化に関する検討を行い、必要な線幅を明確化し、性能実現に向けた技術課題を抽出した。(5)高速低消費電力光スイッチ技術:テラビット級ルータ及びサーバ間の高速転送への適用を想定し、ナノ秒動作の高速低消費電力InAlGaAs半導体光スイッチ技術を開発した。4x4構成にて約5mAの低電流、低偏光依存動作を実現した。(6)光電子ハイブリッド回路の実用化戦略検討:サーバ及びデータセンタ内ネットワークの今後の性能向上に必要な大容量・省電力インターコネクトを実現する技術として、光電子ハイブリッド回路のニーズが高い。要素デバイスの性能を引き出し、ニーズに応える形に具現化するためには、光回路集積化及び光エレクトロニクス実装技術が鍵である。また、開発を材料からシステムまでのレイヤ間連携で進め、実装システムとして完成させる事が実用化に必須である。更に技術開発にとどまらず、標準化など開発段階からエコシステムの構築を見据えた戦略的推進が必要である。
英文要約Title:Development project of ultra low power opto-electronic hybrid circuit technology FY2011 Final Report
For further high-speed data processing and power saving of ICT equipments such as a server and router, the feasibility of opto-electronic hybrid circuit technology has been investigated.(1)High-speed on-board optical interconnect: A prototype of on-board optical interconnects using polymer waveguide was fabricated. A 25-Gbps high-speed optical signal transmission was demonstrated, and technical challenges for practical use were discussed. Thermal characteristics of on-board laser diodes and low temperature (150℃) packaging technology were studied. Si micro-lenses were also designed for low loss (3dB) and large tolerant (10μm) optical coupling between polymer and Si waveguides.(2)Temperature-stable integrated light source: A metal-mediated wafer-bonding technique with low interface resistivity was developed. This resulted in a large reduction of threshold current density (600 to 350A/cm2) of QD lasers on Si and led us the first demonstration of QD laser with a ridge waveguide.(3)Optical integration technologies for rack-to-rack/intra-rack interconnect: Pitch-converters and demultiplexers using Si photonics technology were investigated. Characteristics of Si-wire DMZI-type and AWG-type demultiplexers were numerically simulated, and their technical challenges were discussed. And highly integrated optical path control devices using thermo-optical effect in silicon were studied. Numerical analysis of thermal interference showed the feasibility of a large matrix (8x8) and small footprint (1mm2) device, and identified some challenges.(4)Compact, low-power and high-speed transceiver: Key technologies for compact, low-power and high-speed transceiver for dater center network were studied. A digital signal processing compensating the imperfect characteristics of transceiver front-end was investigated, and required FIR filters were designed. Integrated laser diodes for transceivers were studied, and a line width specification and a device structures for the narrow line width were clarified. To integrate the optical semiconductor devices and the DSP chips on silica-based PLC-platforms, opto-electronic hybrid integration technologies such as optical coupling and high-speed electrical wiring were investigated.(5)A high-speed, low-power optical switch: An InAlGaAs optical switch was developed for the application to Tb/s routers and high-speed switching between servers. Low current of ~5mA and low polarization-dependence were realized for 4x4 configuration.(6)Strategy for practical use of opt-electronics hybrid circuits: Strong needs for opto-electronics hybrid circuits were picked out in higher bandwidth board-to-board/on-board interconnects in future servers and networks for data centers. Realization of opto-electronics integrated packaging is most important point in addition to photonics integration circuit. Collaboration with all technology layers from material to system and standardization for creating new ecosystem are indispensable for practical use.
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