CPO（Co-Packaged Optics）の包括的な概要

2025 年 3 月 10 日

キャサリン

光通信エンジニア

CPO (Co-Packaged Optics) は、LPO と並んでよく使われる用語です。その意味と重要性について詳しく見ていきましょう。

従来のホットスワップ可能な光モジュールは、約 150 ～ 200 mm という比較的長い距離にわたって電気信号を介してスイッチシステムのメインチップに接続します。たとえば、M800 PCB インターコネクトを利用する 7G 光モジュールでは、112Gbps PAM4 信号 (帯域幅約 30 GHz) の信号損失は約 0.25 dB/mm です。比較すると、このような信号の光ファイバーでの損失は数百万分の 228 であり、無視できるほど小さいものです。さらに、電気信号の損失は周波数とともに増加しますが、光信号の損失は周波数に関係なく一定です。この一定性は、光信号が固定周波数 (たとえば、112Gbps PAM4 信号の場合は XNUMXTHz) の光搬送波に変調されるためです。

電気信号の損失を減らすには、主に 2 つの戦略があります。

低損失の導電性および誘電性材料を使用します。
相互接続距離を短縮します。

CPO は 2 番目のアプローチを採用しています。CPO 光モジュールをスイッチ内の ASIC (特定用途向け集積回路) チップと統合することで、相互接続距離を短縮し、高周波 RF 信号の損失を削減します。

信号規格と業界定義

VSR: フロントパネルの光モジュールと ASIC チップ間の電気信号に関する CEI 標準で定義されています。
XSR: 共パッケージ化された CPO モジュールと ASIC チップ間の電気信号に関する CEI 標準によって定義されます。

OIF 規格では、3.2Tbps CPO モジュールが定義されています。下の図は、51.2Tbps スイッチと 3.2Tbps CPO モジュールの統合を表しています。CPO とは、電気信号の距離を最小限に抑え、高周波での重大な挿入損失の課題に対処するために、ASIC チップと「共同パッケージング」することを指します。

OIF CPO 規格では、シングルモード通信とコンパクトモジュール設計が規定されています。これにより、VCSEL テクノロジは事実上除外され、タイトなレイアウトに対応できるシリコンフォトニクスが優先されます。

OSFPモジュールは現在、 800Gbps光モジュールは、8x400Gbps（モジュールあたり3.2Tbps）の容量を定義するCPO規格とは異なります。この規格では、限られたレイアウト内ではるかに大きな容量が必要となり、EMLまたはInP統合の課題によりシリコンフォトニクスとの緊密な統合が必要になります。

CPO の進化と関連概念 2018 年頃に導入された CPO コンセプトは、OBO、OBA、COBO (2010～2018) などの以前のホットスワップ不可能な光技術を吸収し、現在では総称して CPO と呼ばれています。さらに、ASIC との統合の近さに基づいて、サブカテゴリが存在します。

NPO (Near-Packaged Optics): 比較的離れた場所での統合用。

IPO (In-Package Optics): より緊密な統合を実現します。

CPO は、高周波信号損失の課題に対処し、現代のシステムにおける光通信容量を拡大するための画期的なアプローチです。

大まかに言えば、すべての非ホットプラグ対応光モジュールが CPO (Co-Packaged Optics) として分類される場合、この用語は、現在標準で定義されているシングルモード通信に限定されなくなります。その結果、業界では特定のマルチモード CPO コンセプトが登場しています。

マルチモードCPOシステムは、マルチモードVCSEL（垂直共振器面発光レーザー）と光検出器（PD）を組み合わせて使用します。例えば、富士通や古河などの日本のメーカーは、 400Gbps マルチモード LGA (Land Grid Array) プレスフィットコンタクトグリッドを使用した CPO 光モジュール。

同様に、Finisar (現 Coherent) や HP などの米国企業は、1 チャネルまたは 2 チャネル構成などの VCSEL アレイをサポートする、16 ～ 24Tbps の容量を持つマルチモード CPO ソリューションを採用しています。これらのシステムも LGA コンタクトを利用しています。

マルチモード CPO における LGA の利点従来のはんだ付けとは異なり、LGA 接続はプレスフィット接点に依存しているため、リフローはんだ付けの必要がありません。これにより、CPO の組み立てとメンテナンスが容易になり、高温はんだ付け中に熱膨張係数 (CTE) の不一致によって生じる材料のストレスを回避できます。さらに、熱による接着剤の硬化によって生じる問題も防止できます。この問題は光学的な位置合わせに影響を及ぼす可能性があります。

シリコンフォトニクス CPO とマルチモード VCSEL CPO の違いシリコンフォトニクスに基づく狭義の CPO ソリューションは、より広義のマルチモード VCSEL ベースの CPO システムとは大きく異なります。

消費電力: シングルモードシリコンフォトニック CPO システムは、マルチモード VCSEL ベースのシステムよりも多くの電力を消費します。

信頼性: シリコンフォトニックシステムは、信頼性の課題が発生しやすい VCSEL システムで使用される化合物半導体と比較して、シリコン (元素半導体) の故障リスクが低いため、より高い信頼性を示します。

シングルモード CPO と統合の課題 OIF で定義されたシングルモード CPO に戻ると、シリコンフォトニック統合チップを使用すると、従来のホットプラグ可能な光モジュールと比較してパッケージングプロセスが複雑になります。たとえば、ASIC チップのサイズが約 30 mm、CPO の幅が約 20 mm であるため、スペースは極めて制限されます。各 CPO には、32 個の Tx 差動ペア、32 個の Rx 差動ペア、および制御信号ラインが含まれており、電気信号用の超高密度レイアウトが必要になります。

従来のワイヤボンディングではこれらの密度の要求を満たすことができないため、ほとんどのメーカーは、TCB (熱圧着接合) や Intel のアプローチなどのウェハレベルパッケージング、あるいは少なくともフリップチップ方式などの高度な技術を採用しています。

ウェーハレベルパッケージングは、2024～2025 年の商用化に向けて特に熱心に研究されています。半導体プロセスを活用して、より細い配線、より小さなビア、より高密度の相互接続を実現します。高密度接続を実現した後、ウェーハはダイに切断され、CPO に組み立てられます。

高密度相互接続のための高度なスルービア技術ウェーハレベルアセンブリでは、相互接続要件に応じてさまざまなビア技術が利用される場合があります。

TSV (シリコン貫通ビア): 最大約 30GHz の帯域幅 (約 112Gbps PAM4 信号) をサポートしますが、シリコンの半導体特性により寄生容量が大きくなります。これにより共振が発生する可能性があります。

TGV (ガラス貫通ビア): 帯域幅は広くなりますが、ガラスの硬さのために壊れやすくなります。

TMV (スルーモールドビア): RF 誘電体材料を使用してビアのギャップを埋める成形構造を特徴とし、熱膨張などの課題に対処しながらより広い帯域幅をサポートします。

CPO における光パッケージングの課題電気相互接続密度以外にも、CPO 光パッケージングは従来の光モジュールよりも要求が厳しくなっています。たとえば、3.2Tbps CPO には、Tx と Rx の両方に 32x112Gbps チャネルが含まれており、非 WDM セットアップでは 64 本の光ファイバーが必要です。WDM (4 波長 WDM など) では、この数が 16 本の光ファイバーに減ります。

光ファイバーの調整には 2 つの課題があります。

光ファイバーのモードフィールド径はシリコンフォトニクスの導波路モードフィールドよりも大きいため、モードフィールド変換器（スポットサイズ変換器または SSC など）が必要になります。