これは、コパッケージド・オプティクスと先進リソグラフィーに関する3回シリーズの第1回です。
AIやその他のデータ集約型ワークロードによって、プロセッサ、スイッチ、アクセラレータ間でやり取りしなければならない情報量が増え続ける中、光インターコネクトは、そのデータを生成・処理する電子デバイスへと近づきつつあります。
Co-Packaged Optics（CPO）は、この課題に対応するために開発が進められているアプローチの一つとして注目されています。その基本的な考え方はシンプルです。光通信をスイッチングまたはコンピューティング用シリコンに近づけ、高速電気信号が伝送する距離を短縮し、フォトニック機能と電子機能をより緊密に統合することです。
この考え方自体は新しいものではありません。変化しているのは、技術、帯域幅への要求、そして製造能力の組み合わせであり、それによってCPOの重要性がますます高まっています。
3回シリーズの第1回となる本稿では、光学系がどのように段階的にチップへ近づいてきたのか、なぜCPOの実用化にはこれほど長い時間がかかったのか、そしてCPOが量産へ向かうにつれて、製造の柔軟性がフォトニック性能と同じくらい重要になる可能性がある理由について解説します。
オプトエレクトロニクス統合の目標
AI、クラウドコンピューティング、その他のデータ集約型アプリケーションが大規模化するにつれて、データ転送がシステム全体の性能やエネルギー効率を大きく制約する要因となる可能性があります。
非常に高いデータレートでは、銅配線を伝送する電気信号の減衰が増大し、シグナルインテグリティ上の課題も大きくなります。より長い電気経路で信号品質を維持するには、追加の信号調整回路や電力が必要になる場合があります。
したがって、オプトエレクトロニクス統合の基本的な目標は、すべての電気接続を光接続に置き換えることではありません。高速電気信号が伝送する距離を短縮し、データを生成・受信するデバイスの近くで電気信号と光信号を相互変換することです。
これにより、以下の実現に寄与できます。
- より大きな帯域幅と帯域密度
- 電気インターコネクトの消費電力低減
- より長い光伝送距離
Co-Packaged Opticsは、オプティカルエンジンを電子スイッチングデバイスまたはコンピューティングデバイスの近くに配置することで、このアプローチをさらに進めます。光トランシーバーをフロントパネルに配置したままにするのではなく、電気機能と光機能をより緊密に統合します。
光学系をより近くへ
光インターコネクトの発展は、光電変換の位置をプロセッサまたはスイッチASICへ徐々に近づけてきた歴史として捉えることができます。
図1がその流れを示しています。光学系は、実際に信号処理が行われる場所へと近づいています。それぞれの世代で、スイッチASICから電気信号が光に変換される地点までの銅配線の距離が短くなっています。
プラガブル光学
光トランシーバーはフロントパネルに配置されます。そのため、電気信号はASICからパッケージおよび回路基板を通って光インターフェースまで伝送される必要があります。
オンボード光学
オプティカルエンジンを回路基板上に配置することで、高速電気接続の距離を短縮します。
ニアパッケージド・オプティクス
オプティカルエンジンをさらにASICに近づけて配置し、電気経路をさらに短縮します。
コパッケージド・オプティクス
光機能と電子機能を同一パッケージ内に統合し、残された高速電気信号の伝送距離を最小限に抑えます。
光学系を電子系に近づけるほど、帯域密度や電気I/Oの観点から、このアーキテクチャはより魅力的になります。しかし、重要なトレードオフがあります。集積は大幅に複雑になります。
そして、ここからCPOのストーリーが面白くなります。
CPOの最大の課題
光学系をASICに近づけることで、ある問題は解決できる一方、新たに複数の課題が生じる可能性があります。
熱管理とレーザー配置
スイッチASICは大量の熱を発生する可能性がある一方、多くのフォトニックコンポーネントは温度変化の影響を受けやすい特性を持っています。そのため、これらの技術を一体化するには、高度な熱管理が求められます。
この熱的ボトルネックを緩和するには、オプティカルエンジンを2.5Dおよび3Dヘテロジニアス・インテグレーション（HI）パッケージングと協調設計し、高度な熱インターフェース材料（TIM）や直接的なマイクロ流体冷却を活用して、温度に敏感なシリコンフォトニックデバイスから熱を効率的に排出する必要があります。
レーザー光源についても、さらなる集積上の課題があります。アーキテクチャによっては、レーザーをフォトニックエンジンに組み込むことも、外部に配置して光ファイバーを介してパッケージ内部へ光を供給することも可能です。この選択には、温度、信頼性、集積互換性など、さまざまな要素が関係します。
ファイバー接続と光学アライメント
CPOパッケージでは、非常に限られたスペース内に多数の光接続を実装する必要が生じる場合があります。そのため、低い光結合損失を維持するには、ファイバー、フォトニックコンポーネント、その他の光学構造の間で、正確かつ再現性の高いアライメントを実現することが重要です。
近年の3Dフォトニックパッケージングに関する研究では、エッジカプラー、グレーティングカプラー、フリーフォームカプラー、エバネッセントカプラーなど、さまざまな結合方式が検討されています。[8]
製造、歩留まり、テスト
CPOでは、電子部品とフォトニックコンポーネントを高密度に集積したアセンブリが形成されます。その結果、確実に連携して機能しなければならないインターフェースやプロセス工程の数が増加します。
そのため、テストも多次元的になります。電気、光学、機械、熱の各特性が重要になります。製造歩留まりも同様に重要です。統合された一つのコンポーネントに生じた欠陥が、パッケージ全体の性能に影響を及ぼす可能性があるためです。
保守性
運用モデルも変化します。従来のプラガブルトランシーバーは個別に取り外して交換できます。一方、コパッケージド・オプティカルエンジンは周辺の電子部品とより緊密に統合されているため、故障箇所の特定や現場での保守がはるかに複雑になります。この課題に対応するため、業界標準では、高い集積密度とデータセンターにおける現実的な保守要件の両立を目指し、フィールド交換可能ユニット（FRU）として設計されたモジュール型オプティカルエンジンがますます重視されています。
標準規格とサプライチェーン
CPOは、スイッチASIC、フォトニック集積回路、レーザー、光ファイバー、パッケージング技術、熱管理ソリューションなど、複数の技術とサプライヤー間の連携にも依存しています。
そのため、スケーラブルなエコシステムを構築するには、相互運用性と標準化されたインターフェースが重要になります。Optical Internetworking Forum（OIF）などの業界団体は、CPOを含むアプリケーション向けの電気・光インターフェースの標準化に積極的に取り組んでいます。[2]
CPOは、単に一つの難しい問題を解消するものではありません。むしろ、光学、電子、パッケージング、熱管理、組立、テスト、製造にまたがる、より緊密に結び付いた一連の課題へとシステムを移行させるものです。
そして、これはCPOの今後の方向性を理解するうえで、最も重要なポイントかもしれません。
なぜCPOの実用化にはこれほど長い時間がかかったのか？
CPOの基本的な考え方は新しいものではありません。光インターフェースを電子デバイスに近づけ、電気的な信号経路を短くし、高速電気インターコネクトへの負荷を軽減するというものです。
では、なぜ研究コンセプトから商用展開へ移行するまでにこれほど長い時間がかかったのでしょうか？
重要な理由の一つは、既存の代替技術を上回ることが容易ではなかったことです。
プラガブル光学は、性能、モジュール性、現場での保守性、運用上の柔軟性という点で、非常に魅力的な組み合わせを提供してきました。故障した光モジュールはスイッチ全体を交換することなく交換でき、光学容量も電子系とは独立して追加・変更できます。
この利便性は重要です。
一方、シリコンフォトニクスおよび関連技術も着実に進歩してきました。シリコンフォトニクスの研究は1980年代後半から1990年代初頭まで遡ることができ、その後、パッシブデバイス、変調器、検出器、光源、システム集積などの進展により、このコンセプトは実用的な技術プラットフォームへと徐々に発展していきました。
その中には重要なマイルストーンもありました。2004年、Intelは1 GHzを超える動作周波数のシリコン光変調器を実証しました。2010年には、集積レーザーを備えた完全なシリコンフォトニクスリンクを実証し、12.5 Gb/sの光チャネル4本を用いて50 Gb/sのデータ伝送を実現しました。[4,5]
これらの進展は、シリコンが高帯域光通信において重要な役割を果たせることを示しました。しかし、残された課題は決してフォトニクスだけではありませんでした。
パッケージング、熱制御、ファイバー接続、アライメント、テスト、ヘテロジニアス・インテグレーションについても、同時に成熟させる必要がありました。
なぜ最終的にCPOへ向かうのか
長年にわたり、CPOは技術的には魅力的でしたが、既存のプラガブル方式よりも運用面で複雑でした。
そのバランスが今、変わりつつあります。
電気インターフェースの速度は上昇し続けており、業界ではAI/ML、イーサネット、Linear Pluggable Optics（LPO）、Near Package Optics（NPO）、Co-Packaged Optics（CPO）などのアプリケーションに向けて、1レーンあたり224 Gb/sの電気信号伝送がすでに進展しています。[2] また、最近の研究では、224 Gb/sのチャネル8本を用いて、合計1.79 Tb/sの伝送容量を実現するシリコンフォトニックエンジンも実証されており、CPO用途に向けた高密度オプティカルエンジンの実現可能性が示されています。[6]
電気リンクの高速化が進むにつれて、これらの信号をますます長い電気経路で伝送することの限界を無視することは難しくなっています。
これは、CPOがあらゆる場所でプラガブル光学に取って代わることを意味するものではありません。異なるアーキテクチャは今後も、性能、コスト、保守性、システム設計において異なるトレードオフを提供するでしょう。
しかし、光電変換をデータの発生源により近づける必要性は高まっています。
その意味で、CPOはついに、長年欠けていたものを得たのかもしれません。それは、その集積の複雑さを正当化するのに十分な規模のシステムレベルの課題です。
フォトニクス技術はCPOに対応できる段階に達していた一方で、完全な製造エコシステムはまだその段階に達していなかったのかもしれません。
これにより、次の開発段階における最も重要な問いの一つが浮かび上がります。
量産に必要な柔軟性、精度、再現性を備えながら、ますます複雑化する光・電気パッケージをどのように製造するのでしょうか？
リソグラフィが果たす役割
CPOパッケージには、電子ダイ、フォトニック集積回路、光ファイバー、光カプラー、インターポーザー、その他の構造など、異なる材料やプロセスで製造されたさまざまな要素を組み合わせることができます。
これらのコンポーネントは、必ずしも同じ寸法、高さ、アライメント基準、あるいは製造履歴を共有しているわけではありません。
ここでリソグラフィが重要になります。
リソグラフィがCPOのあらゆる課題を解決するからではありません。CPOによって生じる製造上の問題の一部が、本質的にはパターニングと集積に関する問題だからです。
特に興味深い能力は2つあります。
光を成形する
そして
実際のパッケージに合わせてパターンを適応させる。
これらは関連していますが、それぞれ異なる課題に対応します。
光を成形する
シリコン導波路、光ファイバー、または別の導波路構造の間で効率的に光を伝送することは、フォトニックパッケージングにおける中心的な課題の一つです。
これらのコンポーネントでは、光モードや物理的寸法が大きく異なる可能性があるため、光を効率的に伝送するための専用の結合構造が必要になります。3Dフォトニックパッケージングに関する最近のレビューでは、エッジカプラー、グレーティングカプラー、フリーフォームカプラー、その他の3次元構造など、幅広い結合方式が紹介されています。[8]
グレースケールリソグラフィは、このような3次元および2.5D構造を製造するための一つの方法です。
従来のバイナリリソグラフィとは異なり、グレースケール露光では局所的な露光量を変化させることで、形成されるレジストプロファイルに複数の深さレベル、あるいは連続的に変化する表面形状を持たせることができます。これにより、マイクロレンズ、プリズム、回折素子、フリーフォーム表面などの構造を、単一のパターニング層で形成することが可能になります。
プロセスによっては、これらの構造を機能的な光学素子としてそのまま使用することも、後続の転写・複製プロセスのマスターとして使用することもできます。[11,12]
これはCPOにとって特に興味深い点です。光結合は必ずしも平面的な2次元問題ではないからです。
パッケージは3次元です。光路も3次元です。したがって、製造方法もその現実をますます反映する必要があります。
最近の研究では、3D集積フォトニックパッケージング向けに、導波路間結合やフリーフォーム結合など、より高度な結合方式が数多く実証されています。[8]
同時に、多層光学構造の発展は、精密に制御された表面プロファイルによって、光を操作するためのさらなる自由度を生み出せることを示しています。[13]
重要なのは、将来のすべてのCPOパッケージでグレースケールリソグラフィが必要になるということではありません。
重要なのは、フォトニックパッケージングが複雑化するにつれて、光学表面をデジタルに成形できる能力が価値を持つアプリケーションがますます増えているということです。
マスクを変更せずに設計を変更する
2つ目の課題はまったく異なります。
CPOはヘテロジニアス・インテグレーションの問題です。コンポーネントの配置にはわずかな位置ずれが生じる可能性があり、基板が反ることもあります。また、最終的なパッケージは、レイアウト設計で想定した理想化された設計とは異なる場合があります。
従来のフォトマスクは固定されたパターンを表します。基板の形状やアライメント関係が厳密に制御されている場合には、この方式は非常に高い性能を発揮します。
マスクレスリソグラフィは、異なるアプローチを提供します。
露光パターンはデジタルに生成されるため、新しいフォトマスクを作製することなくレイアウトを変更できます。開発段階では、これによって設計の反復やプロセス最適化を大幅に簡素化できます。
さらに重要なのは、先端パッケージングにおいて、ダイレクトライトシステムは測定した基板やコンポーネントの位置情報を利用して、すべてのパッケージが同一であると仮定するのではなく、実際のサンプルに合わせて露光を適応させられることです。
これは、ヘテロジニアス・インテグレーションによってコンポーネントの配置や基板形状にばらつきが生じる場合に、特に有用です。
したがって、マスクレスリソグラフィのメリットは、単にマスクを必要としないことだけではありません。
より大きな価値は、プロセスの柔軟性にあります。
これにより、実際の基板、実際のパッケージ、実際の製造条件に応じて、書き込むパターンを適応させることができます。同時に、従来の固定的なフォトマスクでは対応が難しい、カスタマイズされた3D マイクロオプティクスの形成も可能になります。
パッケージングアーキテクチャがよりヘテロジニアスになるにつれて、この違いはますます重要になります。
平面パターンから3D集積へ
これらの能力の組み合わせは、製造思想におけるより大きな変化を示唆しています。
従来のリソグラフィは、構造が平面的で、寸法が標準化され、パターンと基板の関係が厳密に制御されている場合に非常に高い性能を発揮します。
CPOは、それとは反対の方向へ技術を押し進めます。
CPOでは、異なる材料、コンポーネント、光路、高さ、インターフェースが一つのパッケージ内に集積されます。
従来のリソグラフィを置き換えるのではなく、デジタルパターニングとグレースケールによる表面制御が、その適用範囲を拡張します。高密度なヘテロジニアス・パッケージでは、マイクロメートルスケールの配置誤差やダイシフトが避けられません。アダプティブ・アライメントでは、基板のリアルタイムの表面形状を読み取り、レイアウト上の理想的な位置ではなく、実際にコンポーネントが配置された位置に正確にインターコネクトを形成することができます。
これは、光学結合構造やマイクロオプティクスから、ポリマー導波路、光学的再配線構造、その他のパッケージレベルのフォトニックインターフェースまで、幅広い用途に応用できます。[9]
そして、ここからCPOのストーリーが先端リソグラフィと直接的につながり始めます。
熱走査型プローブリソグラフィ（t-SPL）を用いて、複雑な3D表面形状をパターニングしました。スケールバー：5 μm。（文献[13]より改変）
今後の展望
CPOは、光インターコネクト技術として説明されることが多いです。
しかし、製造という観点から見ると、CPOは同時にパッケージングと集積の課題でもあります。
光学系が電子系に近づくほど、アライメント、熱的挙動、光結合、組立におけるばらつきに対する許容度は低くなります。
そのため、より高性能なフォトニックコンポーネントだけでなく、ますます複雑かつヘテロジニアスになる構造に対応できる製造プロセスも必要になります。
グレースケールリソグラフィは、光を成形するのに役立ちます。
アダプティブ・リソグラフィは、パッケージに合わせてパターンを適応させるのに役立ちます。
これらを組み合わせることで、より広範なトレンドが見えてきます。フォトニック集積がより3次元化・ヘテロジニアス化するにつれて、リソグラフィ自体もより柔軟になり、デジタル制御が可能になります。
そして、これこそが、将来性の高いCPOアーキテクチャをスケーラブルな製造プロセスへと転換するために必要となる能力の一つなのかもしれません。
参考文献
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