特集T h u n d e r b o l t 光ケーブル
前田靖

裕・春＊本道子・島津貴之本間祐也・田村充章・千種佳樹

Optical Thunderbolt Cable ─ by Yasuhiro Maeda, Michiko Harumoto, Takayuki Shimazu, Yuya Homma, Mitsuaki
Tamura and Yoshiki Chigusa ─ Thunderbolt, an innovative high-speed input/output (I/O) technology developed
by Intel Corporation and Apple Inc., enables 10 Gb/s transmission between a computer and peripheral devices.
Based on Intel’s technical specifications, Sumitomo Electric Industries, Ltd. developed a Thunderbolt active opticalcable (AOC) by drawing on its optical fiber and module technology. The Thunderbolt AOC has capabilities of longdistance transmission up to 30 meters, excellent robustness, durability and flexibility by using specially designed
optical fiber. This paper describes the outline of Thunderbolt AOC design and the test results of its characteristics
and reliability.
Keywords: Thunderbolt, active optical cable

1.

緒

言

近年、画像や映像の高画質化に伴い、パソコンやタブ光アクティブケーブル（以降 Thunderbolt AOC）を今回レット端末、スマートフォンなどの情報端末で扱うデータ開発した。本ケーブルは Thunderbolt AOC としては世界通信量は増加の一途を辿っており、これらを接続するインで初めて製品認証を取得し、2013 年 1 月より販売を開始

タフェースも更なる高速化が求められている。また、これしている。

ら情報端末の薄型化、小型化も進んでおり、コネクタ用の本論文では、今回開発した Thunderbolt AOC の設計概スペース確保のため、現在複数の規格があるインタフェー要と、特性評価結果及び信頼性評価結果について述べる。

スの集約化が課題となっている。そこで登場したのがThunderbolt である。
Thunderbolt はインテルコーポレーションとアップル・

表1

Thunderbolt と USB の比較

インクが共同開発した高速汎用データ伝送規格であり、双規格

Thunderbolt

USB2.0USB3.0方向 10Gb/s の伝送路を 2 レーン有し、プロトコルとして伝送速度

双方向 10Gb/s
× 2 レーン

双方向 480Mb/s
× 1 レーン

双方向 5Gb/s
× 1 レーン

はデータ転送技術である PCI Express※1と、映像出力技術である DisplayPort ※ 2 に対応している。またドッキングス
テーション※ 3 と接続することで、様々なインタフェースをまとめて扱うことができ、デイジーチェーン接続※ 4 も可能

最長 3m
最長 5m
（当社製電気ケーブル）
ケーブル（電気ケーブル
最長 30m
長のみ）（当社製光ケーブル）※光ケーブルは給電機能無し

最長 3m（電気ケーブルのみ）

・データ伝送用・ツリー接続
・最大供給電力
4.5W
2008 年など、機能拡張性にも優れている。表 1 に Thunderbolt と一般的な汎用インタフェースである USB との比較を示す。

Thunderbolt は 2011 年に制定されて以来、アップル社

特徴

・データ伝送用、映像伝送用の 2 つのプロトコルに対応 ・データ伝送用（PCI Express、DisplayPort） ・ツリー接続
・デイジーチェーン接続
・最大供給電力・最大供給電力 12W
2.5W（※一部機器は 10W）

制定

2011 年

2.

Thunderbolt AOC の設計概要の製品を中心に徐々に普及が進んでいるが、最近ではWindows 対応の機器にも搭載されるなど、本格的な普及2000 年の兆しが見えてきている。その中で当社は、インテル社から Thunderbolt ケーブルの技術仕様の開示を受け、当社の高度な電線技術と高速伝送技術を融合させることで、いち早く Thunderbolt 電気アクティブケーブルを製品化し、好評を博している。一方、映像制作・編集業界等では、より長距離に対応したケーブルの製品化が望まれている。その写真 1 は Thunderbolt AOC の外観である。写真中に示期待に応え、当社の光ファイバケーブル技術と光モジュールした、本製品を構成している各要素技術の設計概要につい技術を融合し、30m までの長さに対応した Thunderboltて、以下に述べる。

−（4）−

Thunderbolt 光ケーブル

10

端末部
（光学設計、機構設計、回路基板設計）

写真 1

Thunderbolt AOC と各要素技術

損失変動 ［dB/0.5turn］

ケーブル部（ケーブル設計）

9開発光ファイバ

8

汎用GIファイバ

76543212−1ケーブル設計

0Thunderbolt は双方向 10Gb/s

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.55.0曲げ半径 ［mm］

× 2 レーンであるため、光ファイバは 4 芯必要である。機械強度に優れた構造とするため、光ファイバをアラミド繊維

図1と共にインナーチューブに内包し、その外周にプラスチッ開発光ファイバの 180°曲げ損失特性クヤーンを配置する構造とした。外径は 4.2mm である。
Thunderbolt AOC は民生機器や映像機器の接続に使用
1E+0

様々な使用環境にも耐える必要がある。例えば、写真 2 の1E-1

ようにケーブルを 180° 折り曲げても、光ファイバが破断しないことはもとより、通信が遮断しないことが求められる。今回、Thunderbolt AOC 用に新規に開発した光ファイバの曲げ損失特性を図 1 に、耐破断特性を図 2 に示す。
ケーブルを 180° 折り曲げた時の曲げ半径（約 2mm）において、今回開発した光ファイバでは、汎用 GI ファイバ ※ 5と比べ、曲げ損失特性、耐破断特性共に大幅に優れた結果が破断確率 ［1日、0.5turn］されるため、固定配線される光通信ケーブルとは異なり、得られた。当社の Thunderbolt AOC は、写真 2 のように

開発光ファイバ
汎用GIファイバ

1E-2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8

折り曲げても安心して使用することができると言える。

1E-9

次に、ケーブルが椅子で踏み付けられることを想定した、

1.52.02.5

3.0

3.54.04.55.0曲げ半径 ［mm］

側圧試験の結果を図 3 に示す。ケーブルを 45° ずつ回転させ、側圧箇所を変えながら試験を実施した。今回開発した

図2

ケーブルは、どの角度から側圧を加えても損失変動は開発光ファイバの耐破断特性0.2dB 以下と、良好であることを確認した。その他のケーブル特性を表 2 に示す。いずれの試験においても良好な結3.0果が得られ、強靭な機械特性を有するケーブルであること45°ずつ側圧位置を変えて試験を実施を確認した。

損失変動 ［dB］

2.5350Nθ=0°45°315°225°

2.0ø60mm
1.5270°90°135° 180°

1.00.50.004590135180225270315

側圧位置 ［°］写真 2

ケーブル折り曲げ試験

図3

側圧試験評価結果

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（5）−表2

めには、VCSEL/PD が設計間隔通りに実装されること、レケーブル特性

試験項目

試験条件

試験結果

引張試験

引張張力 100N

損失変動：＜0.2dB

側圧試験

曲げ半径 30mm、350N

損失変動：＜0.2dB

衝撃試験

錘 500g、落下高さ 15cm損失変動：＜0.2dB

屈曲試験

曲げ半径 15mm、± 90°、1000 回 損失変動：＜0.2dB

捻回試験± 180°/0.3m、1000 回損失変動：＜0.2dB

ノット試験

引張張力 50N

損失変動：＜0.2dB

温度サイクル試験 -20 ℃～ 85 ℃× 5 回損失変動：＜0.2dB

難燃試験

合光学設計

る VCSEL

※6/PD

※7格

図 4 に、電気信号と光信号を変換すことが必要である。このため、まず実装精度の検証を行った。図 5 に、200 サンプル× 4 レーンでの、設計位置に対する VCSEL/PD チップ実装位置誤差（図 5（a））と、レンズとチップの相対位置誤差（図 5（b））を示す。概ね ±10µm以下の実装精度が得られていることが分かる。

これらの結果と、その他の部品の位置精度なども考慮して、どの製品においても光ファイバと VCSEL/PD 間で十分な光結合を達成されるように、公差を考慮して非球面レンズを最適化した。

（a）
15から伝送用光ファイバまでの光学部品配置を模式的に示す。VCSEL/PD と伝送用光ファイバは、レンズモジュールによって光学的に結合されている。
VCSEL/PD は、電子部品と共に回路基板表面に実装されており、基板垂直方向に光軸を有する。これに対し、伝送用光ファイバは基板と水平方向に光軸を有するため、レンズモジュール上の 45 ° 全反射面により、互いに光路が 90 ° 折り返される構造としている。また、VCSEL/PD、および各伝送用ファイバ端面と対面するように、それぞれ非球面レンズが形成されている。これらは、送受信側、ファイバあチップ配列直交方向位置誤差 ［um］

2−2

UL VW-1

ンズモジュールがこれら素子に対して精度よく実装される

るいは VCSEL/PD 側かでそれぞれ異なる非球面形状となっ1050-5-10-15ており、4 種の非球面形状 × 2 レーンの計 8 個の非球面レン-15-5051015チップ配列方向位置誤差 ［um］

ズを有することになる。
光ファイバと VCSEL/PD 間で十分な光結合を達成するた-10（b）

非球面レンズ
光ファイバ

yz

非球面レンズxVCSEL/PD

レンズ配列直交方向位置誤差 ［um］

151050-5-10-1545°全反射面-15-10-5051015

レンズ配列方向位置誤差 ［um］

光ファイバ
レンズモジュール

図 5 （a）チップ実装位置誤差（b）レンズとチップの相対位置誤差

yzx

VCSEL/PD
回路基板−（6図4VCSEL/PD から光ファイバまでの光学部品配置）−

Thunderbolt 光ケーブル

2−3

機構設計と熱解析事例

図 6 にケーブル端末部の構成を模式的に示す。Thunderbolt コネクタが実装された回路基板を、金属シェルで包み込み、その周囲を樹脂部品でパッケージする方式を採っている。金属シェルは、実を解析した例であり、放熱部材を介し、金属シェルが放熱装部品から発生する放射ノイズをシールドし、回路基板上パスとして機能していることを示している。結果的にで発生する熱を効率的に吸収し外部へ放射する役割を担っ

VCSEL の発光部の温度は信頼性保証の目安となる温度をている。

下回っていることを確認した。

ケーブルと端末の接続部については、光ファイバの外周

2−4

図 8 にケーブル端末部回路基板設計と光特性部材を金属製のフランジ部品に巻き付け、金属シェルと接の機能ブロック図を示す。Thunderbolt コネクタ側のイン続することで、ケーブルに加わる引張りなどの外力に対しタフェースは電気信号であるが、端末部の回路基板上に実て、高い耐久性を持たせる構成としている。

装された VCSEL/PD を介し、ケーブル内では光信号を用い製品信頼性の観点から、最も重要となる項目として、て通信が行われる。

VCSEL の発熱による劣化故障がある。十分な信頼性を確保するには、ケーブル使用時の VCSEL の発光部の温度をある一定温度以下にする必要がある。しかし、VCSELチップの局所的な温度を正確に評価することは非常に困難である。ここで手法として、発光波長の温度依存性、放熱解析、実測を組み合わせて VCSEL の発光部の温度を推定した。図 7 は、ケーブル使用時を想定した場合の放熱状態

回路基板

ケーブル
VCSEL

電気信号入力10Gb/s×2ch
信号入出力回路
電気信号出力10Gb/s×2ch

VCSEL/PD駆動回路

光ファイバ

PD
金属シェル

レンズ／コネクタ

光ファイバ

図8

機能ブロック図

ケーブル
回路基板
フランジ
Thunderboltコネクタ

樹脂カバー

図6

放熱部材

ケーブル端末部の構成

図 9 に光出力波形を示す。通常、光アクティブケーブルの場合、光信号がケーブル外部に出力されることは無いが、ケーブル内部の伝送特性を評価するために、レンズモジュールが実装された回路基板に光ファイバを接続して取得したものである。十分なアイ開口が得られており、良好な光波形品質であることを確認した。

端末表面の温度分布

測定条件： 10.3125Gb/s, PRBS2^31-1

図9VCSEL

光出力波形

図 10、図 11 に光出力パワーと消光比※ 8 の温度特性例を示す。両パラメータとも大きな温度依存性は無く、VCSEL端末内部の温度分布の駆動電流が適切に制御できており、Thunderbolt ケーブ
ルが使用される全温度範囲に亘って、安定した光信号が

図7

仕様温度上限における熱解析事例

ケーブル内で伝送されていることが分かる。

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（7）−光出力パワー変動（15℃基準）［dB］

4による光パワー損失や、モード分散※ 9 による受信感度劣化

ch0を考慮しても、十分なマージンがあることを確認した。

ch123.

0Thunderbolt AOC の伝送特性評価
図 13 に Thunderbolt AOC の伝送特性評価系を示す。

-2

ケーブルへの入力波形は実際に接続されるホスト側の機器-4-20-100102030が出力する波形に依存するため、意図的に入力波形を歪ま40せ、最悪条件を模擬した。ケーブルの出力波形はアイ開口

雰囲気温度（無風）［℃］

図 10が十分得られており、誤り率測定器によりエラー無くデータを伝送できていることを確認した。

光出力パワー温度特性例

ケーブル入力波形

ケーブル出力波形

消光比変動（15℃基準）[dB]

4ch0ch12

信号発生器
10.3125Gb/s
PRBS2^31-10

評価基板

評価基板

-2-4-20

オシロスコープ

Thunderbolt AOC
誤り率測定器-10010203040

図 13

伝送特性評価系

雰囲気温度（無風）[℃]

図 11

消光比温度特性例

図 14 に Thunderbolt 機器を使用した機能評価系を示す。

この図はパソコン同士の接続例であるが、ハードディスク
図 12 に受信感度特性例を示す。光出力波形同様に回路基板に光ファイバを接続して測定を行った。最小受信感度等のデバイスとの接続を含めて、Thunderbolt 機器間で正常に通信できることも確認済みである。

（@1E-12）は-10dBm 程度であり、ケーブルの伝送や曲げノートブック
パソコン

ノートブックパソコン

1E-3
測定条件：10.3125Gb/s, PRBS2^31-1

Thunderbolt AOC

1E-4

ビット誤り率図 14

1E-6
1E-74.

1E-8
1E-9

Thunderbolt 機器を使用しての機能確認とした。試験後の

1E-11

1E-12-13.0-11.0-9.0-7.0

入力光パワー ［dBm］

図 128）−

Thunderbolt AOC の信頼性試験結果
表 3に信頼性試験結果を示す。合否判定基準は

1E-10−（

Thunderbolt 機能評価系

1E-5

受信感度特性例

Thunderbolt 光ケーブル-5.0-3.0

ケーブルの機能は、全試験項目において正常であり、十分な信頼性を有していることを確認した。

表3

※3

信頼性試験結果

試験カテゴリ 試験項目 試験条件

判定基準

高温通電 80 ℃、2000 時間
環境試験

機械試験

結果
合格

温湿度
RH95%、25 ～ 85 ℃
合格
試験前後でのサイクル 12 サイクル
Thunderbolt-55 ～ 85 ℃
機器での機能熱衝撃
1 時間／サイクル
合格
チェックにお× 10 サイクル
いて問題無いこと、および50 ～ 2000Hz、外観異常無い
振幅 1.52mm
振 動
合格
こと
20 分／回
× 12 回／各方向
衝

撃

1000G、0.5ms
6 回／各方向

合格EMI

30MHz ～ 26.5GHz
PRBS2^31-1

ESD

8kV
動作異常
気中および接触放電 無いこと

電気特性

FCC、CE、VCCI

合格

ドッキングステーション

ノートブックパソコンの機能拡張装置。ノートブックパソ
コン本体を薄型軽量に保って機動性を確保しつつ、デスクトップパソコン並みの機能性を持たせることが可能。
Thunderbolt 用のドッキングステーションは PCI Expressから、その他の従来インタフェースへ変換する機能を有する。
※4

デイジーチェーン接続

複数の機器を数珠繋ぎにつないでいく配線方式。
※5GI ファイバ

Graded Index ファイバの略称で、マルチモードファイバの一種。ファイバの屈折率に分布を持たせ、モード間の伝搬時間差を低減するように設計されている。

合格※6VCSEL

Vertical Cavity Surface Emitting LASER（垂直共振器面発光レーザ）の略称で、半導体レーザの一種。基板面に対5.

結言

インテル社から Thunderbolt ケーブルの技術仕様の開示して垂直に発光すること、及び消費電力が小さいことが特徴。通信用機器に加え、コンピュータマウス、レーザプリンタ等の民生機器にも幅広く使用されている。

を受け、当社の光ファイバケーブル技術および光モジュール技術を融合した Thunderbolt AOC を開発し、世界で初※7めて製品認証を取得した。今回製品化した Thunderbolt

Photo Diode の略称で、半導体ダイオードを使用した光検AOC は、専用に開発した光ファイバを用いることで、優れ出器の一種。

PDた柔軟性と強靭性／耐久性を両立し、最長 30m の伝送距離を実現した。今後、データ通信量の増大に伴い、※8

Thunderbolt に代表される高速インタフェースの普及が加デジタル変調された光信号の“1”レベルと“0”レベルの速し、民生分野で光アクティブケーブルの用途が更に広が光強度の比。

消光比ることが期待される。
※96.

謝辞

モード分散

マルチモードファイバにおいて、モード間で伝搬時間差が生じる現象のこと。ファイバ出力波形に影響を与える。

本開発を進めるにあたり、インテル社に多大な支援を頂いた。ここに感謝致します。
・ Thunderbolt、Thunderbolt ロゴは、米国 Intel Corporation の米国及びその他の国における商標または登録商標です。
・ PCI Express は、米国 PCI-SIG の米国及びその他の国における商標または登録商標です。

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

PCI Express

パソコン内部の通信の標準インタフェースの一つ。入出力インタフェースの拡張のための標準規格でもある。2002
年に PCS-SIG により制定された。
※2

DisplayPort

参考文献（1） http://www.sei.co.jp/ewp/J/thunderbolt/index.html（2） https://thunderbolttechnology.net/（3） 桜 井 渉 他 、「 10Gb/s 高 速 伝 送 イ ン タ ー フ ェ ー ス ケ ー ブ ル“Thunderbolt Cable”の開発」、SEI テクニカルレビュー第 181 号（2012 年 7 月）

デジタル映像信号出力用の標準インタフェースの一つ。
2006 年に VESA により制定された。

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（9）−執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------前田靖 裕＊：光通信研究所主査

春本道 子 ：光通信研究所主席

島津貴 之 ：光通信研究所主席

本間祐 也 ：光通信研究所

田村充 章 ：住友電工電子ワイヤー㈱千種佳 樹 ：電子ワイヤー事業部

主幹

課長

博士（工学）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者−（ 10 ）−

Thunderbolt 光ケーブル