CPOシステムにおける取り外し可能なファイバー接続技術

急速に進化する高速データ通信の世界において、Co-Packaged Optics（CPO）技術は画期的な技術として際立っています。光デバイスと電子デバイスを単一パッケージに統合することで、CPOは従来の電気接続における帯域幅の制限を克服します。CPOシステムの成功の核となるのは、その実用性と製造性を決定づける重要なコンポーネント、つまり着脱式光ファイバコネクタです。AI対応通信ネットワークのリーダーであるFiberMallは、グローバルデータセンター、クラウドコンピューティング、エンタープライズネットワーク、アクセスネットワーク、ワイヤレスシステム向けに、費用対効果の高い光通信製品とソリューションを提供することに特化しています。この分野で高品質で価値重視のオプションをお探しなら、FiberMallは理想的なパートナーです。詳細については、公式ウェブサイトをご覧ください。または、カスタマーサポートまでお問い合わせください。

完全なCPOソリューションを理解する

効果的なCPOシステムの基礎は、光ファイバー接続が信号パス全体にわたってどのように統合されているかを理解することから始まります。現代のCPOアーキテクチャでは、光集積回路（PIC）レベルからシステムレベルの相互接続に至るまで、高度な接続スキームが求められます。

図 1: 完全な CPO スキームには、モジュール コネクタ、ホスト コネクタ、MPC36、SN-MT バックプレーン コネクタ、およびマルチチップ モジュール システム全体に分散された光バックプレーン コネクタが含まれます。

包括的な視点から見ると、着脱式ファイバー・チップコネクタ（D-FAU）がCPOエコシステム全体の機能を支える基盤となる構成要素としてどのように機能するかが明らかになります。これらの接続は、フロントパネルの高密度要件、ミッドボードアプリケーションに必要な柔軟性と拡張性、そしてバックプレーンレベルでの堅牢で再現性の高いパフォーマンスの維持に対応する必要があります。

取り外しやすさの重要性

CPOシステムにおける着脱可能な接続の必要性は、経済性と実用性の観点からの配慮から生じており、実際の製造シナリオを検証すると明らかになります。周囲に1000本以上の光ファイバーが恒久的に接続されたマルチチップモジュール（MCM）の取り扱いの難しさを考えてみましょう。このような構成は、製造、試験、保守においてほぼ非現実的です。

図 2: 1K+ ファイバーを備えた MCM の取り扱いの複雑さ。電気的取り外し可能、ミッドボード光取り外し可能、パッケージ エッジ取り外し可能、およびチップ エッジ取り外し可能構成を含む取り外し可能な接続オプションを示しています。

1本の光ファイバー障害が高価なマルチチップモジュール全体に悪影響を及ぼす可能性がある場合、経済的なメリットは大きな意味を持ちます。着脱可能な接続は複数の戦略的な介入ポイントを提供し、アセンブリ全体を犠牲にすることなく、問題を特定して解決することを可能にします。この技術は、3つの主要な光着脱戦略を特定しています。短いジャンパーを使用したミッドボード接続、パッケージ内に恒久的に封入されたパッケージエッジレシーバー、そして光エンジンと直接インターフェースする最先端のチップエッジ着脱可能な接続方式です。

許容誤差要件を緩和するビーム拡張技術

CPOシステムにおける最も重要な技術的課題の一つは、製造公差を適正に保ちながら信頼性の高い光結合を実現することです。従来の光ファイバー直接接続では極めて精密な位置合わせが必要となるため、繰り返し接続が必要となる着脱可能なアプリケーションには実用的ではありません。

図 3: モード フィールド径 (MFD) が 35 ～ 50 ミクロンのビーム拡張テクノロジー。パフォーマンス曲線やクロストーク分析など、線形および角度のずれの許容値間の最適なバランスを実現します。

ビーム拡大技術は、ビーム径を意図的に拡大することでこの課題に対処し、より許容度の高いアライメント環境を実現します。モードフィールド径が約35～50ミクロンに達するとスイートスポットが現れ、直線オフセット許容度（ビーム径が大きいほど改善）と角度ずれ感度（ビーム径が大きいほど重要になる）の間の最適な妥協点を提供します。このアプローチは、高密度アプリケーションに必要な127ミクロンピッチを維持しながら、隣接チャネル間のクロストークを最小限に抑えるのにも役立ちます。

高度な光学エンジン統合

実用的な光学エンジンへのビーム拡張技術の統合は、現代のCPO実装に求められる高度な技術を実証しています。TSMCのコンパクト・ユニバーサル・フォトニック・エンジン（COUPE）は、高度な半導体プロセスと高精度な光学インターフェースをいかに組み合わせることができるかを示す好例です。

図 4: TSMC のコンパクト ユニバーサル フォトニック エンジン。組み込みメタレンズ、表面結合ソリューション、1.2 dB 結合効率と 25 nm 帯域幅などのパフォーマンス特性を備えています。

このシステムは、光ループバックにおける半波あたり約1.2dBの結合損失など、優れた性能指標を達成し、25ナノメートルの動作帯域幅を維持しています。埋め込みメタレンズ方式は、0.1次元グレーティングを介した表面結合を可能にしますが、±XNUMX度という極めて厳格な角度公差制御が求められます。TSMCのCoWoS（Chip on Wafer on Substrate）プロセスとの互換性は、CPO技術が既存の高度なパッケージングインフラストラクチャをどのように活用しているかを浮き彫りにしています。

高密度コネクタソリューション

現代のCPOシステムの密度要件を満たすには、信頼性の高い光学性能に必要な精度を維持しながら、光ファイバー数を最大化する革新的なコネクタ設計が求められます。金属光集積回路コネクタの開発は、これらの相反する目標の達成において大きな進歩を表しています。

図 5: 8 ミクロン ピッチのさまざまな金属光集積回路コネクタ構成 (16F、20F、36F、127F) と、シリコン フォトニック チップとの拡張ビーム結合用の金属光プラットフォームを示す詳細な断面図。

これらのコネクタは、精密金属光プラットフォーム技術を採用し、コンパクトなフォームファクタで8～36芯の光ファイバを収容しながら、必要な機械的安定性を実現します。127ミクロンのピッチはビーム拡張要件に適合し、精密金属V溝構造は光ファイバの位置決めを再現性良く行います。熱安定性に優れたフレーム設計により、温度変化による光学アライメントに影響を与える可能性のある熱膨張係数の不一致を解消します。

精密アライメント方法論

着脱式CPO接続の成功は、精度、機械的安定性、接続の利便性という相反する要求をバランスよく満たす、洗練されたアライメント戦略にかかっています。異なる拘束方法間のトレードオフを理解することで、最適な設計選択のための洞察が得られます。

図 6: 過剰拘束、厳密拘束、および運動学的カップリング方式の比較。最適なパフォーマンスを得るために、複数の接触点と最小限の接触点の間に配置された Senko の精密アライメント ソリューションを示しています。

このスペクトルは、コンフォーマル面接触によって最大限の剛性と精度を提供する過剰拘束システムから、最小限の接触点によって独自の位置決めと熱安定性を提供する厳密に拘束された運動学的カップリングまで多岐にわたります。Senkoの精密アライメントソリューションは、その中間に位置し、厳密に拘束されたシステムと比較して、ほぼ同等の再現性を維持し、複数の着脱サイクルをサポートしながら、精度と剛性を向上させます。このアプローチは、適度な予荷重を必要とし、支持されていないスパンの短縮と減衰特性の向上により、構造ダイナミクスを向上させます。

製造統合とコスト最適化

CPO技術の商業化には、適切なコストと歩留まりを維持しながら必要な精度を実現する製造プロセスが必要です。この目標を実現するための重要なステップは、着脱可能な接続をウェハレベルで統合することです。

図 7: Senko の取り外し可能な FAU 実装の簡略化されたウェーハレベルのプロセス フロー。シリコン フォトニック ウェーハからメタレンズのマウント、レシーバーのマウント、テスト、ダイシング、最終パッケージング段階までの進行を示しています。

この製造アプローチにより、ダイシング前のウェーハレベルのテストが可能になり、高額なパッケージング工程の前に問題を特定することで、不良品発生コストを大幅に削減できます。このプロセスは、パッシブアライメントとアクティブアライメントの両方の手法に対応し、既存の半導体製造インフラとシームレスに統合できます。ウェーハから最終的なマルチチップモジュールに至るまで、複数回のリフローと柔軟な洗浄プロセスが必要ですが、各段階でパッシブテストを実施できることで、歩留まりを最適化するための重要な機会が生まれます。

取り外し可能なファイバー接続を CPO システムに統合することは、技術的な成果であるだけでなく、高帯域幅光コンピューティングの新しいパラダイムを切り開き、商業展開を可能にする製造、テスト、および現場でのメンテナンスの実際的な要件を損なうことなくフォトニック統合の利点を実現できます。