JP7144786B2 - small optical transceiver - Google Patents
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Description
本発明は,小型光トランシーバに関する。より詳しく説明すると,本発明は,マルチコアファイバの端面にレーザアレイとPDアレイを直接貼り付けた超小型光トランシーバや,そのトランシーバの応用例などに関する。 The present invention relates to compact optical transceivers. More specifically, the present invention relates to an ultra-compact optical transceiver in which a laser array and a PD array are directly attached to the end face of a multi-core fiber, and applications of the transceiver.
様々なインターネットサービス,高機能モバイルサービス,さらにはクラウドサービスの発展に伴い,データセンタを飛び交う情報量は年々増加し,データセンタの大規模化・大容量化が進められている。一方,将来,あらゆるモノがインターネットと繋がり(IoT),自動運転等の高度交通システム(ITS)が進展した場合,これらの情報を郊外に置かれた従来の大規模データセンタで処理を行うには大きな遅延時間が発生し問題となる。そこで,メトロ網周辺に小規模なマイクロデータセンタを分散的に設置し,そこでの低遅延なエッジコンピューティング技術が検討されている。このように,データセンタは我々の生活に不可欠な存在であり,その高速化,低遅延化,低消費電力化などが大きな課題となっている。 With the development of various Internet services, high-performance mobile services, and cloud services, the amount of information flowing through data centers is increasing year by year, and the scale and capacity of data centers are increasing. On the other hand, in the future, when all kinds of things are connected to the Internet (IoT) and intelligent transportation systems (ITS) such as automatic driving develop, it will be difficult to process such information in a conventional large-scale data center located in the suburbs. A large delay time occurs and becomes a problem. Therefore, low-latency edge computing technology is being studied by distributing small-scale micro data centers around the metro network. In this way, data centers are an essential part of our lives, and their speed, latency, and power consumption have become major issues.
データセンタ内ネットワークは基本的にイーサネット(登録商標)によって構築されているが,その伝送速度は年々高速化を続け,2017年12月末には400GbEの標準化が定められいる。図1は,データセンタネットワークの構成例を示す概念図である。将来的には図1に示すように,サーバからの25G信号をToRスイッチで100Gに変換し,Leafスイッチで400Gに変換して大容量伝送が行われることが予想される。 The network in the data center is basically built with Ethernet (registered trademark), but its transmission speed continues to increase year by year, and the standardization of 400 GbE was established at the end of December 2017. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a data center network. In the future, as shown in Fig. 1, it is expected that 25G signals from servers will be converted to 100G by ToR switches and converted to 400G by Leaf switches for large-capacity transmission.
図2は,リーフ/スパインスイッチ装置の構成例を示す概念図である。図2に示されるように,このようなスイッチ装置は複数のスイッチASIC(LSI)によって構成されているが,そのASICの規模も年々拡張され,1つのASICに収容可能な光トランシーバの数も増大している。その上,データセンタの大規模化(サーバ数の増大)に伴い,スイッチ装置自体も大規模化(多ポート化)が要求される。しかし,現状の光トランシーバ(電気-光信号間の変換装置)では,その大きさゆえに一つのスイッチボードに装着可能な数が制限されてしまうため,多数のボードに分割する必要が生じる。 FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration example of a leaf/spine switch device. As shown in Fig. 2, such a switch device is composed of a plurality of switch ASICs (LSIs), and the scale of the ASICs is expanding year by year, and the number of optical transceivers that can be accommodated in one ASIC is also increasing. is doing. In addition, as the scale of data centers increases (increase in the number of servers), the switch device itself is also required to scale up (increase the number of ports). However, the size of existing optical transceivers (devices for converting between electrical and optical signals) limits the number of devices that can be mounted on a single switch board, so it is necessary to divide them into multiple boards.
さらに,このように分割されたボード間配線は,一般的に電気ケーブルによって接続されるが,スイッチ規模の増大に伴い,極めて煩雑化し,スイッチ装置の大型化につながってしまう。しかも,一つのボード上に置かれたASICチップ間配線も,信号速度の高速化に伴い,伝搬損失が増大するなど大きな問題を抱えている。そこで,これらボード間,チップ間の光インターコネクション技術の研究が進められているが,現状の光トランシーバ技術では,高密度実装が困難である。 Furthermore, the inter-board wiring divided in this way is generally connected by an electric cable, but as the scale of the switch increases, it becomes extremely complicated, leading to an increase in the size of the switch device. Moreover, the wiring between ASIC chips placed on a single board also poses serious problems such as increased propagation loss as the signal speed increases. Therefore, research is being conducted on optical interconnection technology between these boards and between chips, but with the current optical transceiver technology, high-density mounting is difficult.
図3は,400GbE用の光トランシーバの構成例を示す概念図である。図3に示されるように,400GbE用の光トランシーバには,多くのタイプが存在する。400GBase-SR16は,100m以内の短距離用の光トランシーバであり,25Gbaud(NRZ) x 16並列によって400Gb/s伝送を実現している。ここでは,入出力の光ファイバにそれぞれ16本のマルチモードファイバ(MMF)をリボン状に成形したものが用いられ,光源および受光素子には,16個の面発光レーザ(VCSEL)アレイ(波長:850nm)および16個のPIN-PDアレイが用いられる。MMFはシングルモードファイバ(SMF)に比べコア系が大きいため,これら光学素子とMMFは近接させることでレンズフリーの結合が可能である。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration example of an optical transceiver for 400GbE. As shown in FIG. 3, there are many types of optical transceivers for 400GbE. 400GBase-SR16 is an optical transceiver for short distances within 100 m, and achieves 400 Gb/s transmission by 25 Gbaud (NRZ) x 16 parallel. Here, 16 multimode fibers (MMF) formed into ribbons are used for the input and output optical fibers, and 16 vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) arrays (wavelength: 850 nm) and a 16 PIN-PD array is used. Since MMF has a larger core system than single-mode fiber (SMF), lens-free coupling is possible by bringing these optical elements close to MMF.
400GBase-DR4は,500m以内の中距離用の光トランシーバであり,50Gbaud x PAM4(4値の多値信号)x 4並列によって400Gb/s伝送を実現している。ここでは,入出力光ファイバには各々4本のSMFが,光源には一般的に導波路型レーザレイ(波長:1.3um)が用いられ,それらの結合にはレンズアレイが用いられる。さらに,(0,1)のデジタルデータを(0,1,2,3)のPAM4データに変換するために,エンコーダ/デコーダが必要となる。 400GBase-DR4 is an optical transceiver for medium distances within 500 m, and achieves 400 Gb/s transmission by 50 Gbaud x PAM4 (quaternary multilevel signal) x 4 parallel. Here, four SMFs are used for the input and output optical fibers, a waveguide laser array (wavelength: 1.3 μm) is generally used for the light source, and a lens array is used for coupling them. In addition, an encoder/decoder is required to convert the (0,1) digital data to (0,1,2,3) PAM4 data.
400GBase-LR8は,10kmの長距離用の光トランシーバであり,25Gbaud x PAM4 x 8波長によって400Gb/s伝送を実現している。ここでは,8個の波長の異なるレーザを用いており,それら光をMUX回路で多重化して,1本のSMFで送信している。受信する場合は,DEMUX回路で各波長の光信号を分離した後,8個のPDアレイで受信する。 400GBase-LR8 is an optical transceiver for a long distance of 10 km, and achieves 400 Gb/s transmission with 25 Gbaud x PAM4 x 8 wavelengths. Here, eight lasers with different wavelengths are used, and the lights are multiplexed by a MUX circuit and transmitted by one SMF. For reception, the optical signals of each wavelength are separated by the DEMUX circuit and then received by eight PD arrays.
このように,光トランシーバのタイプによって光信号の形態は異なるが,スイッチASICと光トランシーバ間は全て共通化され,25Gx16のパラレル電気信号によってやり取りされる。さらに,その間に電気信号の波形劣化が生じるため,一般的にはリタイマーと呼ばれる識別再生ICが内蔵される。
これら光トランシーバは,CFP8やQSFP-DDと呼ばれるフォームファクターに準拠した小型モジュールとして作製され,図4(a)に示すように,スイッチ装置のフロント(またはリア)パネルに抜き差し可能な状態で装着されるのが一般的である。光トランシーバモジュールのサイズは年々小型化が進められているが,現状では前後パネルを使っても36個程度のモジュール装着が限界である。さらにこの時,光スイッチASICと光トランシーバの距離が長くなるため,通常使われる安価なPCBでは25Gの電気信号を送ることが困難となり,ボードの中間点に波形の識別再生用のリタイマーが必要となる。
In this way, although the form of the optical signal differs depending on the type of optical transceiver, the switch ASIC and the optical transceiver are all shared and exchanged by 25Gx16 parallel electrical signals. In addition, because the waveform of the electrical signal deteriorates during this time, a discriminating and reproducing IC, generally called a retimer, is incorporated.
These optical transceivers are manufactured as small modules conforming to the form factor called CFP8 or QSFP-DD, and as shown in Fig. 4(a), they are attached to the front (or rear) panel of the switch device in a detachable state. It is common to Although the size of the optical transceiver module is getting smaller year by year, the current limit is about 36 modules even if the front and rear panels are used. Furthermore, at this time, the distance between the optical switch ASIC and the optical transceiver becomes longer, making it difficult to send 25G electrical signals with a commonly used inexpensive PCB, requiring a retimer for waveform identification and reproduction at the midpoint of the board. Become.
図4は,光トランシーバの実装例を示す概念図である。上記の問題を解決するために,図4(b)に示すようなOn-Board型(Mid-Boardとも呼ぶ)の光トランシーバの開発が進められている。この時,ボードの中間点に置かれていたリタイマーを削除することが可能となり,消費電力やコストの面でメリットが大きい。さらに,光トランシーバからフロントパネルのコネクタまでは光ファイバで接続されており,別の装置とはコネクタを介して光ファイバで接続される。コネクタはパネルの高さ方向に何段でも重ねて装着することが可能であるため,ボード上の面積が許す限り多くの光トランシーバを装着することが可能となる。 FIG. 4 is a conceptual diagram showing an implementation example of an optical transceiver. In order to solve the above problem, development of an On-Board type (also called Mid-Board) optical transceiver as shown in FIG. 4B is underway. At this time, it is possible to remove the re-timer placed at the midpoint of the board, which is advantageous in terms of power consumption and cost. Furthermore, the optical transceiver is connected to the connector on the front panel by an optical fiber, and another device is connected by an optical fiber through the connector. Since the connectors can be mounted in any number of layers in the height direction of the panel, it is possible to mount as many optical transceivers as the area on the board allows.
さらに,図4(c)に示すように,On-Package型(MCM: Multi-Chip Moduleとも呼ぶ)の光トランシーバの開発が近年活発に進められている。光トランシーバは,スイッチASICと同じパッケージ上に近接して実装され,高速な25Gの電気信号はパッケージ内の高性能な内装基板上のみを伝送することとなる。そのため,光トランシーバのリタイマー部を削除し,光電気(OE)変換部のみを実装することが可能となるため,より小型化・低消費電力化が進められる。しかし,これを実現するには,極めて小型の光トランシーバの開発が必要となる。
Furthermore, as shown in FIG. 4(c), the development of On-Package type (also called MCM: Multi-Chip Module) optical transceivers has been actively promoted in recent years. The optical transceiver is mounted close to the switch ASIC on the same package, and high-
さらに,究極の目標としては,図4(d)に示すOn-Chip型の研究が進められている。ここでは光トランシーバのOE変換部がスイッチASIC上に,シリコンフォトニクス技術を駆使して,モノリシックまたはハイブリッドに集積化される。これにより,更なる小型化・低消費電力化が期待されるが,大規模なスイッチASICから膨大な熱が発生するためレーザ発振が困難であるなど,解決すべき多くの問題を抱えている。 Furthermore, as an ultimate goal, research on the On-Chip type shown in FIG. 4(d) is underway. Here, the OE converter of the optical transceiver is monolithically or hybridly integrated on the switch ASIC using silicon photonics technology. As a result, further miniaturization and lower power consumption are expected, but there are many problems to be solved, such as the difficulty of laser oscillation due to the large amount of heat generated by the large-scale switch ASIC.
特開2011-193459号公報には,多芯ファイバ(MCF)を使用するネットワーク・コンポーネントを含むMCF伝送システムが記載されている。 JP-A-2011-193459 describes an MCF transmission system including network components using multi-core fibers (MCF).
小型の光トランシーバを提供する。 To provide a compact optical transceiver.
この発明は,基本的には,マルチコアファイバの端面にレーザアレイとPDアレイを貼り付けることで,超小型光トランシーバ(例えば数ミリ角)を達成でき,ASICパッケージ内への装着(MCM)が可能であり,さらにチップ間・ボード間の光インターコネクションへ応用できるという知見に基づく。 Basically, this invention achieves an ultra-compact optical transceiver (for example, a few millimeters square) by attaching a laser array and a PD array to the end face of a multi-core fiber, and can be mounted inside an ASIC package (MCM). It is based on the knowledge that it can be applied to optical interconnection between chips and between boards.
この明細書が開示する最初の発明は,光トランシーバ1に関する。この光トランシーバ1は,第1の基板3と,第1の基板3の表面に設けられた垂直共振器面発光型レーザ(VCSEL)アレイ5と,第1の基板の裏面であってVCSELアレイ5に対応した位置に接着された第1のマルチコアファイバ(MCF)7とを含む。
そして,第1の基板3は,VCSELアレイ5から出射される光を透過する半導体基板である。
The first invention disclosed in this specification relates to an
The first substrate 3 is a semiconductor substrate that transmits light emitted from the VCSEL array 5 .
この光トランシーバは,第2の基板13と,第2の基板の表面に設けられた光検出器(PD)アレイ15と,第2の基板の裏面であってPDアレイに対応した位置に接着された第2のマルチコアファイバ(MCF)17とを含むものが好ましい。第2の基板13は,PDアレイ15に入射する光を透過する半導体基板であることが好ましい。また,第1及び第2のマルチコアファイバ7,17は,第3の基板19により固定されることが好ましい。
This optical transceiver consists of a
この明細書が開示する次の発明は,スイッチ特定用途向け集積回路(ASIC)用パッケージ21に関している。そして,このパッケージ21は,上記した光トランシーバを複数個含む。スイッチASIC用パッケージは,特定用途向け集積回路(ASIC)23と,ASIC23の周辺に設置された複数の光トランシーバ1を含むように構成されている。
The next invention disclosed in this specification relates to a switch application specific integrated circuit (ASIC)
この明細書が開示する次の発明は,光接続装置に関する。具体的な光接続装置の構成は,第1のパッケージ21a及び第2のパッケージ21bを含むとすると, 第1のパッケージ及び第2のパッケージのそれぞれの光トランシーバ1a,1bは,共通するMCF25で接続され,共通するMCFを通じてそれぞれのASIC間で情報の授受を行うことができるものである。なお,2つのトランシーバ間を接続するMCFである共通するMCF25は通常2本(又は複数本)のMCFである。
The next invention disclosed in this specification relates to an optical connection device. Assuming that the configuration of a specific optical connection device includes a
この明細書が開示する次の発明は,スイッチ装置31に関する。このスイッチ装置31は,複数のパッケージ21のうちの第1のパッケージ21aの第1の光トランシーバは,第2のパッケージ21bの光トランシーバと共通のMCF35で接続され,共通のMCF35を通じて第1のパッケージ及び第2のパッケージのASIC間で情報の授受を行い,第1のパッケージの第2の光トランシーバは外部装置37と接続される。なお,2つのトランシーバ間を接続するMCFである共通するMCF35は通常2本(又は複数本)のMCFである。
The next invention disclosed in this specification relates to the
この明細書が開示する次の発明は,データセンタ内ネットワークに関する。このデータセンタ内ネットワーク41は,上記したスイッチ装置31を含ネットワークである。そして,外部装置37はサーバであり,サーバは,シングルモードファイバを介して,MCFのいずれかのコアと接続されたものである。
The next invention disclosed in this specification relates to a data center network. This intra-data center network 41 is a network including the
本発明及びその好ましい態様によれば,低消費電力・低コスト・長距離伝送能を兼ね備え,かつ数mm角の超小型のOn-Package型光トランシーバを提供できる。 According to the present invention and its preferred embodiments, it is possible to provide an on-package type optical transceiver that has low power consumption, low cost, long-distance transmission capability, and is extremely small in size of several millimeters square.
以下,図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は,以下に説明する形態に限定されるものではなく,以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and includes appropriate modifications within the scope obvious to those skilled in the art from the following embodiments.
光トランシーバ
図5は,光トランシーバの構成例を示す概念図である。図5に示されるように,この光トランシーバ1は,第1の基板3と,第1の基板3の表面に設けられた垂直共振器面発光型レーザ(VCSEL)アレイ5と,第1の基板の裏面であってVCSELアレイ5に対応した位置に接着された第1のマルチコアファイバ(MCF)7とを含む。 光トランシーバ(又は光トランシーバモジュール)は,小さいことが好ましい。光トランシーバの形状の例は,正方形又は長方形状であり,光トランシーバの大きさは,用途に応じて適宜調整すればよく,具体的な1辺(長方形における長辺)は,例えば0.5mm以上7mm以下の範囲で調整すればよい。
2. Optical Transceiver FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration example of an optical transceiver. As shown in FIG. 5, this
光トランシーバは,例えば特許6350308号公報,特許6170527号公報に記載されたとおり,公知の装置である。基板は,光トランシーバに用いられるものを適宜採用すればよいが,この明細書において,第1の基板3は,VCSELアレイ5から出射される光を透過する半導体基板である。第1の基板3の表面とは,第1の基板の一方の面であって,VCSELアレイ5が設けられる面である。第1の基板の裏面は,VCSELアレイ5が設けられた面と反対の面を意味する。第1のマルチコアファイバ(MCF)7は,第1の基板の裏面であってVCSELアレイ5に対応した位置に接着される。VCSELアレイ5に対応した位置とは,MCFに含まれるそれぞれのコアが,第1の基板を介して,VCSELアレイ5に含まれるVCSELと光の授受を行うことができる位置に存在していることを意味する。VCSELアレイ5は,マルチコアファイバのコアの位置と同様の位置にVCSELが存在するものが好ましい。もっとも,マルチコアファイバの全てのコアについて,対応するVCSELが存在しなくてもよい。マルチコアファイバのいくつかのコアは,通信用ではなく,検波やその他の用途に用いられてもよい。マルチコアファイバは,中心のコアと,その周囲の第1層,第1層の周囲の第2層,といった層構成を採用しているものであってもよい。 The optical transceiver is a known device as described in Japanese Patent No. 6350308 and Japanese Patent No. 6170527, for example. A substrate used in an optical transceiver may be used as appropriate. In this specification, the first substrate 3 is a semiconductor substrate that transmits light emitted from the VCSEL array 5 . The surface of the first substrate 3 is one surface of the first substrate on which the VCSEL array 5 is provided. The back surface of the first substrate means the surface opposite to the surface on which the VCSEL array 5 is provided. A first multi-core fiber (MCF) 7 is adhered to a position corresponding to the VCSEL array 5 on the rear surface of the first substrate. The position corresponding to the VCSEL array 5 means that each core included in the MCF exists at a position where light can be exchanged with the VCSEL included in the VCSEL array 5 via the first substrate. means The VCSEL array 5 preferably has VCSELs at positions similar to the positions of the cores of the multi-core fiber. However, all the cores of the multicore fiber need not have corresponding VCSELs. Some cores of a multicore fiber may be used for detection or other applications, not for communication. The multi-core fiber may employ a layer structure such as a central core, a first layer surrounding it, and a second layer surrounding the first layer.
この光トランシーバは,第2の基板13と,第2の基板の表面に設けられた光検出器(PD)アレイ15と,第2の基板の裏面であってPDアレイに対応した位置に接着された第2のマルチコアファイバ(MCF)17とを含むものが好ましい。
第2の基板13は,PDアレイ15に入射する光を透過する半導体基板であることが好ましい。第2の基板13は,第1の基板3と同じものであってもよい。また,第1の基板3と第2の基板13とは別々の基板である必要がなく,1枚の基板が第1の基板3と第2の基板13を兼ねてもよい。光検出器(PD)アレイ15は,,VCSELアレイ5と同じ方向に設けられている。そして,第2のマルチコアファイバ(MCF)17は,第1のMCF17と同じ方向に設けられている。
This optical transceiver consists of a
The
第1及び第2のマルチコアファイバ7,17は,第3の基板19により固定されることが好ましい。第3の基板19の例は,V溝基板であり,ガラス製V溝基板を好ましく用いることができる。V溝基板の溝に第1及び第2のマルチコアファイバ7,17を設置することで,容易にアライメントを取ることができる。
The first and second
図5に示される例では,VCSELアレイ5から出射した各光は,第1の基板3を通過し,第1のMCF7の対応するコアに入射する。そして,第1のMCF7を介して,他の光学素子へ伝搬する。一方,第2のMCF17の各コアを経た光は,第2の基板13を通過し,PDアレイ15における対応するPDで受光される。
In the example shown in FIG. 5, each light emitted from the VCSEL array 5 passes through the first substrate 3 and enters the corresponding core of the
スイッチ特定用途向け集積回路(ASIC)用パッケージ
図6は,スイッチ特定用途向け集積回路用パッケージを示す概念図である。図6に示されるように,このパッケージ21は,上記した光トランシーバ1を複数個含む。スイッチASIC用パッケージは,特定用途向け集積回路(ASIC)23と,ASIC23の周辺に設置された複数の光トランシーバ1を含むように構成されている。ASIC23は,それぞれの光トランシーバ1と情報を授受することができるように接続されている。図6の例では,内装基板上にASICが設置され,各トランシーバ1と配線がなされている。また,各トランシーバは,ASIC以外の素子と接続可能となるようにされている。スイッチ特定用途向け集積回路用パッケージは,スイッチ装置に用いられるASIC (特定用途向け集積回路)用のチップ(通信用部品・通信用要素)である。
Switch Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Package FIG. 6 is a conceptual diagram showing a switch application specific integrated circuit package. As shown in FIG. 6, this
光接続装置
図7は,光接続装置を説明するための概念図である。図7に示される光接続装置は,第1のパッケージ21a及び第2のパッケージ21bを含む。第1のパッケージの光トランシーバ1aと,第2のパッケージの光トランシーバ1bは,共通するMCF25で接続され,共通するMCFを通じて情報の授受を行うことができるようにされている。なお,2つのトランシーバ間を接続するMCFである共通するMCF25は通常2本(又は複数本)のMCFである。この光接続装置における他のパッケージについても同様である。
Optical Connection Device FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining an optical connection device. The optical connection device shown in FIG. 7 includes a
スイッチ装置
図8は,スイッチ装置を説明するための概念図である。図8に示されるように,このスイッチ装置31は,複数のパッケージ21a,21bを含み,いずれかのパッケージは,外部装置37と情報の授受をすることができるように接続されている。図8の例では,複数のパッケージ21のうちの第1のパッケージ21aの第1の光トランシーバは,第2のパッケージ21bの光トランシーバと共通のMCF35で接続されている。そして,共通のMCF35を通じて第1のパッケージ及び第2のパッケージのASIC間で情報の授受を行うことができる。なお,2つのトランシーバ間を接続するMCFである共通するMCF35は通常2本(又は複数本)のMCFである。
第1のパッケージの第2の光トランシーバ(第2のパッケージの光トランシーバと接続されたものではないトランシーバ)は,外部装置37と接続される。すると,外部装置37と第1のパッケージとは情報の授受を行うことができる。
Switch Device FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the switch device. As shown in FIG. 8, this
A second optical transceiver of the first package (a transceiver not connected to the optical transceiver of the second package) is connected to the
データセンタ内ネットワーク
このデータセンタ内ネットワークは,上記したスイッチ装置31を含ネットワークである(図8参照)。そして,データセンタ内ネットワークは,図8における外部装置37がサーバであり,サーバに接続されたシングルモードファイバは,ファンイン/アウト装置を介して,MCFのいずれかのコアと接続されたものである。データセンタは,外部へ機能やサービスを提供するためのサーバコンピュータなどのコンピュータネットワークを設置し,運用するための施設である。
Data Center Network This data center network is a network including the
以下,実施例を用いて,本発明を具体的に説明する。本発明は,以下の実施例に限定されるものではなく,公知の構成や公知の条件を適宜採用したものも含まれる。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below using examples. The present invention is not limited to the following examples, and includes those employing known configurations and known conditions as appropriate.
図9は,MCFを用いた超小型光トランシーバの構成例を示す概念図である。図9(a)は,光トランシーバの構成例を示す概念図である。このトランシーバの第一のポイントは,従来のようにリボンファイバを用いるのではなく,複数のコアを1本の光ファイバに集約したマルチコアファイバ(MCF)を用いることである。図9(b)は,マルチコアファイバの断面図を示す概念図である。図9(b)に示されるように,例えば,19芯MCFでは,10μm径のシングルモードコア19本が,250μm径のクラッドで覆われ,1本の光ファイバを形成している。 FIG. 9 is a conceptual diagram showing a configuration example of a microminiature optical transceiver using MCF. FIG. 9A is a conceptual diagram showing a configuration example of an optical transceiver. The first point of this transceiver is to use a multi-core fiber (MCF), in which multiple cores are integrated into one optical fiber, instead of using a conventional ribbon fiber. FIG. 9(b) is a conceptual diagram showing a cross-sectional view of a multi-core fiber. As shown in FIG. 9B, for example, in a 19-core MCF, 19 single-mode cores with a diameter of 10 μm are covered with a clad with a diameter of 250 μm to form one optical fiber.
この光トランシーバの第二のポイントは,V溝のガラス基板等で固定された2本のMCFの端面に,VCSELおよびPDアレイの基板裏面側が直接貼り付けられた構造であることである。図9(c)はPD又はVCSELアレイの配置例を示す概念図である。PDおよびVCSELアレイの素子配置は,MCFのコア配置と一致するように作製される。図9(c)に示されるように,例えば,19芯MCFを用いて,400Gb/sの光伝送を行うには,1コア当たり25Gb/sで16本のコアを用いればよく,残りのコア部分をモニタ用に用いることができる。図9(d)は,PD又はVCSELアレイとCMOS回路との接続例を示す概念図である。図9(d)に示されるように,MCFの中心部に相当する位置にはデバイスを配置しないで,電気配線のグランド端子に用いることで,CMOS回路(PD出力を増幅・識別するためのTIAおよびLimitingアンプ,VCSELを駆動するためのDriverアンプ等を集積したIC)上に,直接フリップチップ接合させることが可能となる。これらの部品は,接合部の強度を保護するため,図9(a)に示されるように小型モジュールとしてパッケージ化され,スイッチASICパッケージ内の内装基板上に実装される。 The second point of this optical transceiver is that it has a structure in which the back side of the VCSEL and PD array substrates are attached directly to the end faces of two MCFs fixed by a V-groove glass substrate or the like. FIG. 9(c) is a conceptual diagram showing an arrangement example of a PD or VCSEL array. The element layout of the PD and VCSEL arrays is made to match the core layout of the MCF. As shown in FIG. 9(c), for example, in order to perform optical transmission at 400 Gb/s using a 19-core MCF, 16 cores at 25 Gb/s should be used per core, and the remaining cores A portion can be used for monitoring. FIG. 9(d) is a conceptual diagram showing an example of connection between a PD or VCSEL array and a CMOS circuit. As shown in Fig. 9(d), the CMOS circuit (TIA for amplifying and identifying the PD output) is used as the ground terminal of the electric wiring without arranging the device at the position corresponding to the center of the MCF. It is possible to directly flip-chip bond on an IC (integrated with a limiting amplifier, a driver amplifier for driving the VCSEL, etc.). In order to protect the strength of the joints, these parts are packaged as a small module as shown in FIG. 9(a) and mounted on an interior substrate within the switch ASIC package.
図10は,MCFを用いた超小型光トランシーバの上記とは別の構成例を示す概念図である。プリント配線基板上に,スイッチパッケージが設けられている。そして,その上部にパッケージ内装基板が設けられ,スイッチASIC,各種増幅器やドライバー等が設けられ,増幅器上に,光トランシーバが形成されている。図10に示されるように,CMOS回路部分を上記モジュールの外部に出すことによって,PD/VCSELアレイ部分のモジュールを大幅に小型化することが可能となる。 FIG. 10 is a conceptual diagram showing another configuration example of a microminiature optical transceiver using MCF. A switch package is provided on the printed wiring board. A package interior substrate is provided on the upper portion thereof, and a switch ASIC, various amplifiers, drivers, etc. are provided, and an optical transceiver is formed on the amplifier. As shown in FIG. 10, by putting the CMOS circuit portion outside the module, the size of the PD/VCSEL array portion module can be greatly reduced.
この超小型光トランシーバは,従来のプラガブルモジュール型ではなく,スイッチASIC近傍に設置するOn-Package型光トランシーバを目的とするものであり,リタイマー等の再生用ICが全て不要となり,スイッチ装置全体の低消費電力化・小型化に寄与する。 This ultra-compact optical transceiver is not the conventional pluggable module type, but is intended to be an On-Package type optical transceiver installed near the switch ASIC. Contributes to low power consumption and miniaturization.
この光トランシーバは,高密度集積されたPD/VCSELアレイを,レンズアレイを用いることなくMCF端面に直接貼り付けることで,極めて小型の光トランシーバが実現される。特に,PD/VCSELを駆動するためのCMOS回路をモジュール外に分離することで,更なる小型化が可能となる。 In this optical transceiver, a very compact optical transceiver is realized by directly attaching a high-density integrated PD/VCSEL array to the MCF end surface without using a lens array. In particular, further miniaturization is possible by separating the CMOS circuit for driving the PD/VCSEL outside the module.
この光トランシーバを用いると,例えば25Gb/sの非ゼロ復帰(NRZ)信号で16本のコアを使えば,400Gb/sの光伝送が実現できる。すなわち,図3に示した従来の光トランシーバのSR16やDR4のようなリボンファイバを用いる必要がなく,ファイバの配線が容易になる。さらに,DR4で使われる50Gbaud高速信号を使う必要がなく,変調フォーマットとしても,DR4やLR8のようなPAM4を使う必要がなく,最も単純なNRZが使用可能なため,エンコーダ・デコーダ用のDSPが不要となる。さらに,LR8のように波長多重を用いる必要がないため,MUX/DEMUX回路が不要となり,さらに温度に対するVCSELアレイの波長変動は大幅に許容され,ペルチェ等での温度制御が不要となる。その上,用いるMCFのコアは,DR4やLR8と同様にシングルモードであるため,長距離伝送が可能となる。 Using this optical transceiver, for example, 400 Gb/s optical transmission can be achieved by using 16 cores with 25 Gb/s non-return-to-zero (NRZ) signals. That is, there is no need to use a ribbon fiber such as the SR16 or DR4 of the conventional optical transceiver shown in FIG. 3, and the wiring of the fiber is facilitated. In addition, there is no need to use the 50Gbaud high-speed signal used in DR4, and as a modulation format, there is no need to use PAM4 such as DR4 and LR8, and the simplest NRZ can be used, so the DSP for the encoder/decoder can be used. becomes unnecessary. Furthermore, since it is not necessary to use wavelength multiplexing as in LR8, no MUX/DEMUX circuit is required, and furthermore, the wavelength variation of the VCSEL array with respect to temperature is largely permissible, eliminating the need for temperature control with a Peltier or the like. In addition, since the core of the MCF used is single-mode like DR4 and LR8, long-distance transmission is possible.
以上のように,この光トランシーバは,リタイマー,レンズアレイ,DSP,温度制御,MUX/DEMUX回路等が全て不要となるため,大幅な小型化・低消費電力化・低コスト化が可能となる。 As described above, this optical transceiver does not require a retimer, lens array, DSP, temperature control, MUX/DEMUX circuit, etc., so that it is possible to significantly reduce the size, power consumption, and cost.
次に,この光トランシーバの利用例について説明する。
スイッチASICの大型化が年々進展しており,近い将来1チップで25Tb/sを超えるスループットが実現されると考えられている。その時,1つのスイッチASICで,400G光トランシーバが32ポート収容可能であるが,従来のプラガブルモジュール型では,その実装が極めて困難である。この明細書に開示された超小型光トランシーバは極めて小型であるため,多数の光トランシーバをOn-Package実装することが可能である。
Next, a usage example of this optical transceiver will be described.
The size of switch ASICs is increasing year by year, and it is believed that a single chip will achieve a throughput exceeding 25 Tb/s in the near future. At that time, one switch ASIC can accommodate 32 ports of 400G optical transceivers, but it is extremely difficult to implement with the conventional pluggable module type. Since the ultra-miniature optical transceiver disclosed in this specification is extremely small, it is possible to mount a large number of optical transceivers on-package.
さらに図2で前述したとおり,データセンタネットワークにおけるリーフ・スパイン(Leaf/Spine)スイッチ装置は,多くのスイッチASIC群から構成されるが,従来のプラガブルモジュール型の光トランシーバでは,実装密度に限界があるため,複数のスイッチボードに分割する必要が発生する。そのため,ボード間でスイッチASICを接続する必要があり,大きな問題となっている。さらに,信号速度が400Gと高速になると,同じボード内のASIC間でさえ,その電気配線が極めて困難となる。 Furthermore, as described above with reference to Figure 2, leaf/spine switch devices in data center networks consist of a large number of switch ASIC groups. Therefore, it is necessary to divide it into multiple switchboards. Therefore, it is necessary to connect switch ASICs between boards, which is a big problem. Furthermore, when the signal speed becomes as high as 400G, the electrical wiring becomes extremely difficult even between ASICs on the same board.
図11は,超小型光トランシーバのチップ間光インターコネクションへの適用例を示す概念図である。図11に示されるように,超小型光トランシーバ(オンパッケージ型)を用いた場合,ASIC間での光接続が極めて容易に実現可能であり,かつ離れたASIC間に必要不可欠なリタイマーが全て不要になるため,低消費電力化に寄与する。 FIG. 11 is a conceptual diagram showing an application example of an ultra-compact optical transceiver to optical interconnection between chips. As shown in Fig. 11, when an ultra-compact optical transceiver (on-package type) is used, optical connections between ASICs can be realized extremely easily, and all necessary retimers are unnecessary between distant ASICs. Therefore, it contributes to low power consumption.
図12は,超小型光トランシーバを超多ポートスイッチ装置へ適用した例を示す概念図である。図12に示されるように,超小型光トランシーバを用いることで,スイッチASICのパッケージ上に多数の光トランシーバを高密度で実装することが可能となり,さらにはASIC間の光接続にも利用することができるため,一つのボード上に多くのスイッチASICを実装したコンパクトな超多ポートスイッチ装置を実現することが可能となる。 FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of applying a micro optical transceiver to a super multi-port switch device. As shown in Figure 12, the use of ultra-compact optical transceivers makes it possible to mount a large number of optical transceivers at high density on a switch ASIC package, and it can also be used for optical connections between ASICs. As a result, it is possible to realize a compact super-multi-port switch device in which many switch ASICs are mounted on one board.
図13は,図12の超多ポートスイッチ装置をマイクロデータセンタへ適用した例を示す概念図である。図13に示される通り,このスイッチ装置は,16個のスイッチASICで構成されており,それぞれのASICには32個の本発明の光トランシーバが実装されており(内16個はチップ間接続用で16個は外部接続用),各光トランシーバは入出力それぞれ25Gの16芯MCF(全体で400G)で接続されていると仮定する。外部接続用のMCFにはファンアウト用のコネクタが取り付けられ,1本のMCFは16本のSMFに分離され,それぞれ異なるサーバと接続されている。 FIG. 13 is a conceptual diagram showing an example of applying the super multi-port switch device of FIG. 12 to a micro data center. As shown in FIG. 13, this switch device is composed of 16 switch ASICs, each of which is equipped with 32 optical transceivers of the present invention (16 of which are for chip-to-chip connection). 16 are for external connection), and each optical transceiver is assumed to be connected by 16-core MCF of 25G each for input and output (400G in total). A fan-out connector is attached to the MCF for external connection, and one MCF is separated into 16 SMFs, each of which is connected to a different server.
従来の光トランシーバ(DR4やLR8など)は,入力する400Gの電気信号(25Gの16並列電気信号)を,様々なフォーマット変換(NRZ→PAM4,25G→50G,8λのWDM)を行った後に,光信号として出力している。すなわち,25Gの16並列信号を一つの塊としてみなし,16並列信号の独立性は保証していない。しかし,超小型光トランシーバでは,入力する25Gの16並列電気信号を,そのままの形でOE変換しており,それぞれ16本の25G信号を独立した異なる信号として扱うことが可能である。そのため,任意のサーバ間で25Gの光パスが形成され,サーバから出力された信号は,25Gの信号形態を保ったまま,目的地のサーバに転送される。この時,当該スイッチ装置1台で,16x16x16=4096個のサーバまで拡張可能である。すなわち,千台規模の一般的なマイクロデータセンタであれば,当該スイッチ装置1台でネットワークを構築することが可能となる。
Conventional optical transceivers (DR4, LR8, etc.) convert the
さらに,図1で説明したように,一般的にデータセンタ内ネットワークでは,サーバから出力される信号を,リーフ(Leaf)スイッチで集約し,速度を変換しながら転送を行う。そのため,入力信号は一旦スイッチ装置のバッファ内に保存される必要があり(Store & Forward),大幅な遅延時間の発生をもたらす。数十万台規模の大規模データセンタでは,大量のサーバ間のデータ転送を保証するために,本方式が合理的であるが,千台規模のマイクロデータセンタでは,極めて非効率な方式である。マイクロデータセンタでは,自動運転等に関する高速な信号処理が求められるため,サーバ間での低遅延通信が不可欠であり,それにはスイッチ装置でのカットスルー(Cut-through)動作(信号をバッファに保存しないで,そのまま転送する)が理想的である。本スイッチ装置を用いた場合,サーバ間で一切信号の速度変換やフォーマット変換をすることなく,同一の信号形態で転送することができるため,カットスルー動作には最適であり,極めて低遅延なネットワークを構築することが可能となる。 Furthermore, as explained with reference to FIG. 1, generally in a data center network, signals output from servers are aggregated by leaf switches and transferred while converting the speed. Therefore, the input signal needs to be temporarily stored in the buffer of the switching device (Store & Forward), which causes a large delay time. In large-scale data centers with hundreds of thousands of units, this method is rational because it guarantees data transfer between large numbers of servers, but in micro data centers with thousands of units, it is extremely inefficient. . Micro data centers require high-speed signal processing for automated driving, etc., so low-latency communication between servers is essential. transfer as is) is ideal. When this switch device is used, the same signal format can be transferred between servers without any signal speed or format conversion, making it ideal for cut-through operation and an extremely low-latency network. can be constructed.
この発明は光情報通信の分野で利用されうる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of optical information communication.
1 光トランシーバ
3 第1の基板
5 垂直共振器面発光型レーザアレイ
7 第1のマルチコアファイバ
13 第2の基板
15 光検出器アレイ
17 第2のマルチコアファイバ
19 第3の基板
1 optical transceiver 3 first substrate 5 vertical cavity surface emitting
Claims (7)
第1の基板(3)は,前記VCSELアレイ(5)から出射される光が透過する半導体基板である,光トランシーバであって,
第1のマルチコアファイバは,シングルモードマルチコアファイバである光トランシーバ。 A first substrate (3), a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array (5) provided on the surface of the first substrate (3) , and the back surface of the first substrate (3), an optical transceiver (1) comprising a first multi-core fiber (MCF) (7) glued at a position corresponding to the VCSEL array (5),
The first substrate (3) is an optical transceiver, which is a semiconductor substrate through which light emitted from the VCSEL array (5) is transmitted ,
The optical transceiver, wherein the first multicore fiber is a single mode multicore fiber .
第1の基板(3)と異なる基板であるV溝基板(19)をさらに有し,
第1のマルチコアファイバ(MCF)(7)は,前記V溝基板(19)の溝に設置され,前記V溝基板(19)により固定されたシングルモードマルチコアファイバである光トランシーバ。 An optical transceiver according to claim 1,
further comprising a V-groove substrate (19) which is a substrate different from the first substrate (3);
A first multi-core fiber (MCF) (7) is a single-mode multi-core fiber installed in the groove of said V-groove substrate (19) and fixed by said V-groove substrate (19) .
第2の基板(13)と,第2の基板(13)の表面に設けられた光検出器(PD)アレイ(15)と,第2の基板(13)の裏面であって前記PDアレイに対応した位置に接着されたシングルモードマルチコアファイバである第2のマルチコアファイバ(MCF)(17)と,
第1の基板(3)及び第2の基板(13)と異なる基板であるV溝基板(19)をさらに有し,
第2の基板(13)は,前記PDアレイ(15)に入射する光を透過する半導体基板であり,
第1のマルチコアファイバ(MCF)(7)及び第2のマルチコアファイバ(MCF)(17)は,前記V溝基板(19)の溝に設置され,前記V溝基板(19)により固定される,
光トランシーバ。 An optical transceiver according to claim 1,
a second substrate ( 13 ), a photodetector (PD) array (15) provided on the surface of the second substrate (13) , and the PD array on the back surface of the second substrate (13) a second multi-core fiber (MCF) (17), which is a single-mode multi -core fiber glued in corresponding positions;
further comprising a V-groove substrate (19) which is a substrate different from the first substrate (3) and the second substrate (13);
The second substrate (13) is a semiconductor substrate that transmits light incident on the PD array (15),
a first multi-core fiber (MCF) (7) and a second multi-core fiber (MCF) (17) are placed in grooves of said V-groove substrate (19) and fixed by said V-groove substrate (19);
optical transceiver.
前記スイッチASIC用パッケージは,特定用途向け集積回路(ASIC)(23)と,前記ASIC(23)の周辺に設置された複数の前記光トランシーバ(1)を含むパッケージ。 A switch application specific integrated circuit (ASIC) package (21) comprising a plurality of optical transceivers (1) according to claim 3 , comprising:
The switch ASIC package includes an application specific integrated circuit (ASIC) (23) and a plurality of the optical transceivers (1) installed around the ASIC (23).
第1のパッケージ及び第2のパッケージのそれぞれの光トランシーバ(1a,1b)は,共通するMCF(25)で接続される光接続装置。 An optical connection device comprising a first package (21a) and a second package (21b) each being a package according to claim 4 ,
An optical connection device in which the optical transceivers (1a, 1b) of the first package and the second package are connected by a common MCF (25).
前記複数のパッケージ(21)のうちの第1のパッケージ(21a)の第1の光トランシーバは,第2のパッケージ(21b)の光トランシーバと共通のMCF(35)で接続され,
前記共通のMCF(35)を通じて第1のパッケージ及び第2のパッケージのASIC間で情報の授受を行い,
第1のパッケージの第2の光トランシーバは外部装置(37)と接続される,スイッチ装置。 A switch device (31) comprising a plurality of packages (21) according to claim 4 ,
A first optical transceiver of a first package (21a) of the plurality of packages (21) is connected to an optical transceiver of a second package (21b) by a common MCF (35),
exchange information between the ASICs of the first package and the second package through the common MCF (35);
A switch device, wherein the second optical transceiver of the first package is connected with an external device (37).
前記外部装置(37)はサーバである,
データセンタ内ネットワーク。 A data center network including the switch device (31) according to claim 6 ,
the external device (37) is a server,
Network within the data center.
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