半導体プロセス技術から提案する新しい光配線モジュール※1

世界初 のレンズレス光配線モジュールの量産を実現させた半導体技術
世界初のレンズレス光配線モジュールの量産化
半導体技術から生まれた光実装技術
レーザを含めた協調設計技術
4K2K 時代を支える光配線モジュール※1: 2011 年 11 月時点、ソニー調べ

映像技術は、High Definition 映像から造工程の構築が可能となります。これに4K2K 映像へと解像度を高め、画質をさより、従来の光通信モジュールに比べ、らに向上させる方向に進化しています。

低価格な光通信モジュール CXN2006、従来、近距離伝送（〜数十センチメートCXN2007、CXN2300 を量産 化するこル程度）は、電気伝送技術が使われることができました。とが一般的であり、それに代わる技術が今 回 の 製 品 は、 ソ ニ ー の 業 界 最 高 画あまり求められていませんでした。しか質 CineAlta カ メ ラ ※2「F65」 お よ び

し、解像度が上がるにつれ、扱う映像デー

SRMASTER ポータブルレコーダ「SR-タの容量が増加しています。

R4」に搭載されています。VCSEL（面発

そこでソニーでは、大容量伝送を可能と光レーザ）を使ったレンズレス光配線モする光配線を導入すべく、自社が持つ半ジュールとして世界初の量産技術を確立

導体技術と光通信技術を融合し、レンしました。

ズを使わない光配線モジュールの開発

今号では、この光配線モジュールを支えに着手しました。レンズを使わないことている光実装技術と高周波技術について、で、部品点数を削減し、構造を簡素化す

ご紹介します。

ることができ、生産性の向上と安価な製※2: CineAlta はソニー株式会社の商標です。

光コネクタ付き Tx/Rx 光通信モジュール

CXN2006

光コネクタ

Tx ↔ Rx 直結光通信モジュール

Rx モジュール
Tx モジュール

CXN2300

Rx モジュール
Tx モジュール

のにしていました。長距離光通信モジュー

レンズレス光結合を実現した
半導体実装技術なりません。一般的な集光レンズなどをル技術を近距離で一般的に使われている使った光結合でも、位置合わせの許容範電気伝送技術に置き換えるためには、生囲は、わずか 10μm 以下程度です。

従来の光通信モジュールは、レーザ（発産性を向上させ、安価なプロセスを構築

今回ソニーは、このような厳しい実装条光デバイス）またはフォトダイオード（受しなければなりません。この課題の一つ

件を持つ光結合技術に半導体実装技術を光デバイス）などの光デバイスと光ファに光デバイスと光ファイバの光軸合わせ適用する新規の光実装技術を開発しましイバとの光学結合部分に、集光レンズやがあります。例えば、送信側の光結合部た。これは、シリコンインターポーザを反射ミラーなどの光学部品を使うのが一分では、レーザの出射光（数マイクロメー介して、光デバイスと光ファイバを直接般的でした。しかし、光学部品を使ったトルの出射部から数十度の広がり角を持的に結合する技術です。従来、光学設計

光学設計は、部品点数や実装組立工程をつ）を 50μm 程度の光通路となる光ファで一般的に使われていた光学部品を一切増大させ、光通信モジュールを高価なもイバのコアに低損失で結合させなければ使わない光実装プロセス技術の開発に成功しました。それと同時に小型薄型化かつ簡素な構造も実現しました。この技術

図-1 解像度とデータ容量の関係を使い、40Gbps（10Gbps × 4ch）の光70

Beyond HD world
59.8Gbps

60

伝送速度 [Gbps]（レンズレス光学実装の基礎研究レベルの成果は、先端フォトニクス株式会社との共同開発によるものです。
）

50
40×16
29.9Gbps

30
20

14.9Gbps
7.5Gbps103.7Gbps
0

配線モジュールの商品化に成功しました。

HD TV

HD TV 倍速

HD TV 4倍速
& 3D TV
解像度

図-2 モジュール外観 3D 図

4K2K TV 倍速 4K2K TV 4倍速& Multiview 3D

とのダイレクトな光結合を実現していま

光実装技術

高周波技術す。今回のモジュールは、10Gbps の伝レンズや集光レンズを使わず、発光・受送量を有するチャネルを 4ch で構成した光学部品を使わない光結合技術を実現さ光デバイスと光ファイバとを直接的に光40Gbps 伝送量のモジュールであり、光せるためには、特性面での課題も大きな結合させるために、シリコンインターポーファイバ芯線 4 本を有する 4 芯光ファイものでした。従来、光デバイスとそれをザ基板を採用しました。表裏の両面に Cuバケーブルを使用し、その 4 芯を一度に駆動するためのフロントエンド IC（以降、配線が形成されたシリコンインターポー実装します。一方で、シリコンインターF/E）は、直接、ワイヤーボンド実装（Wire

ザには、半導体の 3 次元実装技術に用いポーザを 90 度回転させて基板の両面のbonding、以降 WB 実装）で実装されるられている TSV（Through-Silicon-Via）

電極とモジュール基板の電極とをはんだことが 多いのですが、今回開発したモの高精度な貫通孔形成技術を利用した接合することにより、シリコンインタージュール構造は、ガラスエポキシ基板と光ファイバガイド孔を形成し、そのガイポーザとモジュール基板を電気的に接続

シリコンインターポーザを通過して、光ド孔に光ファイバを挿入して光ファイバし、モジュール基板に実装しています。

デバイスと F/E が接続されます。この伝を固定しています。一方、発光デバイス

この構成により、光ファイバと光デバイ送線路上には、寄生容量、寄生インダクである VCSEL または受光デバイスであスとの光結合をレンズやミラーなどの光タンス、そして、寄生抵抗が含まれており、る PD（フォトディテクタ）それぞれの学部品を経由しないダイレクトな光結合

WB 実装に比べてこれらの値は非常に大発光部または受光部がシリコンインターを実現したコンパクトでシンプルな光電きくなり、高周波特性を劣化させる要因ポーザの光ファイバガイド孔に対してマ変換部を実現しました。モジュールサイとなります。また、光デバイス、特にレーイクロオーダーの位置合わせをする必ズは 10mm × 16mm の小型化を実現しま

ザの個体および温度による電流 - 電圧特要があります。このため、デバイスをフした。

性のばらつきや変動もシリコン系のデバリップチップ実装し、シリコンインターイスに比べて非常に大きくなります。こ

ポーザに搭載することにより、光ファイのため、一般的なシリコン系パッケージ

バと発光デバイス、または受光デバイスの高周波設計に使われているシミュレー

図-4 光結合トレランスデータ

図-3 光結合部の断面図

シリコンインターポーザ
VCSEL/PD0フロントエンドIC

光結合損失 [dB]

4芯光ファイバテープ

光ファイバと VCSELの光軸合わせにおいて、面方向を ±10 µm以下、光ファイバと VCSELとの距離を50 µm以下にすることにより、光結合損失を約–1dB（約30%）以下に抑えることができます。
光ファイバとVCSELとの距離
10 µm
20 µm
30 µm
50 µm
70 µm
100 µm

–2–4–6

モジュール基板–8–30–20–1001020
VCSEL面方向の位置ずれ [µm]30

ションモデルによる協調設計の手法が必今後の展開要でした。ソニーでは、協調設計に必要な伝送線路と終端となる光デバイスおよソ ニ ー は、2012 年 1 月 に 発 売 を 開 始

び F/E のシミュレーションモデルを開発し た CineAlta カ メ ラ「F65」 お よ び

し、光デバイスから F/E のすべてを総合

SRMASTER ポータブルレコーダ「SR-的にシミュレーションすることによって、R4」に向けて、これまで述べてきた要素

WB 実装時と遜色のない高速伝送信号の技術により開発したレンズレス光配線モジュールを量産レベルで供給し始めま品質を実現させることができました。

した。世界で初めて、短波長（850nm）
VCSEL と光ファイバとの接続をレンズレ
図-5 シミュレーション

スで結合できる光実装技術の量産化に成TRANSIENTLDDモデル

功しました。

OPTIONS

今後、ソニーは、半導体技術から生まれシリコンインターポーザモデルた光実装技術をさらに向上させ、お客様のご要望に合った、より安価な光配線モ

Oscilloscope

ジュールを提供していきます。

NnubVCSELmodel

VCSELモデル

図-6 10.3125Gbps アイパターン
File Control Setup Measure Calibrate Utilities Help
Eye/Mask Mode
Eye Meas
Msk Test

開発メンバー( Acq Limit Test ) Waveforms: 1000RZ
NRZ（左から）小川Open
Mask...

Start
Mask Test
1Exit
Mask Test

Align
Method...
3

10GBE 10.3125
total wfms
faild smpls
sourceY Align: Eye Bound

Mask
region1
23violations

Filter...
1 100mV/div-160.0mV

2 100mV/div
500.0mV

3 94µW/div
200.0µW

4 10.0mV/div
0.0V

Time: 15.9ps/div
Delay: 24.0540ns

Trig: Normal-512mVPattern
Lock剛、山田 和義