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光電融合とは

こうでんゆうごう

光の回路と電子の回路をごく近くに、あるいは一体に集積して、電気配線を光に置き換えていく技術や考え方。光で結ぶ範囲を装置間からボード間、チップ間へと広げ、消費電力を下げることをめざす。日本で使われることの多い言葉。

「光電融合」は、3分野の4問の練習問題に出てきます(シリコンフォトニクス, 化合物半導体, 先端技術(3D実装・チップレット)など)。

この用語の分野: シリコンフォトニクス

なぜ光を電子回路に近づけるのか

電気配線では、信号を速くし、距離を長くするほど損失が増え、それを補う回路が電力を消費します。光ファイバや光導波路の損失は、データセンターの中の距離ではほとんど距離によらず、波長多重で1本に多くの信号を載せることもできます。一方、光で送るには電気と光の変換が必要で、その回路にも電力がかかります。光電融合は、光の部品を電子回路のすぐ近くまで持ってきて長い電気配線をなくし、変換の電力も小さくすることで、光を使うほうが得になる距離を短くしていく考え方です。

光で結ぶ範囲の広がり

光の接続は、長距離の通信から、データセンター内の装置間、ラックの中のボード間へと、より短い距離に広がってきました。次の段階は、スイッチICなどと同じパッケージに光の送受信部品を入れるCPO(コパッケージドオプティクス)や、チップの近くで光の入出力を行う光I/Oで、チップ間を光で直接結ぶことです。NTTはIOWN構想の中で、光電融合デバイスによって光で結ぶ範囲をデータセンタ間からボード間、チップ間、さらにチップ内へと段階的に広げる計画を示しています(2020年代半ばの時点)。

支える技術

光電融合の中心になるのは、CMOSと同じ製造技術で光導波路・変調器・受光器を集積するシリコンフォトニクスです。シリコンは光源に向かないため、InP系などの化合物半導体のレーザーを貼り合わせたり、外部から光を供給したりします。光の回路のチップと、ドライバやTIAなどの電子回路のチップを積層して短い距離でつなぐ技術や、多数の光ファイバを高い精度で接続する実装技術も欠かせません。

課題

光の部品は温度で特性が変わりやすく、発熱の大きいプロセッサの近くで安定に動かす工夫が必要です。レーザーの信頼性、交換できない部品の事前の検査、ファイバ接続のコストと歩留まりも課題です。また、電気と光の変換の電力が十分に小さくならなければ、ごく短い距離では電気配線のほうが有利なままです。どこまで光に置き換えられるかは、変換の効率と実装のコストの改善にかかっています。

光電融合の練習問題に挑戦

光電融合で、光の送受信部品を電子回路のすぐ近くに置こうとする主な狙いとして正しいものはどれか。

  1. A長い電気配線をなくして損失と消費電力を減らし、光で送るほうが有利になる距離を短くすること
  2. B光の部品を前面パネルから抜き差しして交換しやすくすること
  3. C電気と光の変換をなくし、すべての演算を光だけで行うこと
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正解：A. 長い電気配線をなくして損失と消費電力を減らし、光で送るほうが有利になる距離を短くすること

電気配線は信号が速く距離が長いほど損失が増え、それを補う回路が電力を消費します。光の損失はデータセンターの中の距離ではほとんど距離によらない一方、電気と光の変換に電力がかかります。光電融合は、光の部品を電子回路のすぐ近くに置いて長い電気配線をなくし、変換の電力も小さくすることで、光を使うほうが得になる距離を短くしていく考え方です。CPOはその代表的な形で、さらにチップ間やチップ内の配線を光にすることがめざされています。

光電融合が進んでも、チップの中のごく短い配線などでは電気配線が使われ続けると考えられている主な理由として正しいものはどれか。

  1. A光は短い距離ほど伝搬損失が大きくなるから
  2. B光ファイバや光導波路は、短く切ったりつくったりできないから
  3. C光で送るには電気と光の変換が必要で、その回路の電力や遅延が、短い電気配線の損失より大きくなる場合があるから
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正解：C. 光で送るには電気と光の変換が必要で、その回路の電力や遅延が、短い電気配線の損失より大きくなる場合があるから

光で信号を送るには、送り側で電気を光に変え(変調)、受け側で光を電気に戻す(受光と増幅)必要があり、そのたびに電力と遅延が加わります。電気配線の損失は距離とともに増えるため、長い距離では光が有利ですが、ごく短い距離では変換の負担のほうが大きくなることがあります。光電融合では、変換の効率を上げて、光を使うほうが得になる距離を短くしていくことが目標になります。

よくある質問

光電融合とシリコンフォトニクスの違いは何ですか?

シリコンフォトニクスは、光の回路をシリコンの製造技術でつくる技術です。光電融合は、こうした技術を使って光と電子の回路を近くで一体に組み合わせ、電気の配線を光に置き換えていく考え方や取り組み全体を指します。

光電融合とCPOはどう関係しますか?

CPOは、光の送受信部品をスイッチICなどと同じパッケージに入れて電気配線を数mmまで短くする技術で、光電融合の代表的な形の一つです。さらに先の段階として、チップ間やチップ内の配線を光にすることがめざされています。

光電融合は英語で何と言いますか?

日本で使われることの多い言葉で、NTTは英語でPhotonics-Electronics Convergence(PEC)と表記しています。同じような取り組みは、英語圏ではco-packaged opticsやoptical I/Oなどの具体的な技術の名前で呼ばれることも多くあります。

解説の中の「光電融合」

「光電融合」が出てくる問題(4問)

  1. 光電融合で、光の送受信部品を電子回路のすぐ近くに置こうとする主な狙いとして正しいものはどれか。
  2. 光電融合が進んでも、チップの中のごく短い配線などでは電気配線が使われ続けると考えられている主な理由として正しいものはどれか。
  3. シリコンフォトニクスで、レーザー光源に化合物半導体を組み合わせる理由として正しいものはどれか。
  4. スイッチICなどと光の送受信部品を同じパッケージ内に近接して実装し、電気配線を短くして消費電力を減らす技術を何と呼ぶか。

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