コパッケージド光学（CPO）を議論する際、業界では「光エンジンをASICの隣に移動させる」というアーキテクチャ図が最もよく示されます。これはCPOが電気リンクを短縮し、一部の消費電力を削減できる理由を説明しますが、システムが単一モジュールから51.2Tや102.4Tのスイッチへスケールする場合、製造性と保守コストを決めるのはもはやそのアーキテクチャ図ではなく、その周辺にある4種類の部品であることが多いです。すなわち、外部レーザ光源、偏波保持ファイバ、着脱可能なコネクタ、熱構造です。

記事のテーマに基づいて生成されたエンジニアリングコンセプト図
図1：本記事のためのAIコンセプトイメージ。MiniMaxが記事テーマに基づいて生成したもので、アプリケーションの文脈を説明するために使用され、特定のモデル、サイズ、スペクトル、コーティングシステム、または許容性能を表すものではありません。

この判断は概念的な推論から導かれたものではない。OIF 3.2T CPOモジュール実装契約では、外部レーザー版が4本または8本の偏波保持ファイバを使用することがすでに定義されている。MarvellとSENKOの公開リファレンス設計では、1,152本のファイバ、32個の着脱式コネクタ、16個の外部レーザーモジュール、およびコールドプレートが同一システム内に配置されている。[1][2][3]

業界インサイト推定読了時間：9分対象読者：研究開発／プロセス／調達

主なポイント

  • CPOのモジュール境界は標準化されていますが、コネクタは完全には標準化されていません。OIFは3.2Tモジュールの電気、光学、機械、テストインターフェースを定義する一方で、光コネクタはこの実装契約では規定されず、MPOなどのソリューションはあくまで可能なシステム実装であることを明確にしています。[1]
  • 外付けレーザーは単に「レーザーを遠くに移す」ということではありません。4つまたは8つのCWレーザーは、偏波保持ファイバーを通ってモジュールに入り、モジュール内で4つまたは8つのトランスミッタに分岐する必要があります。分岐だけでも約9 dBを消費し、変調でさらに約3 dBを消費し、残りのパワーは結合、導波路、多重化、製造マージンをカバーしなければなりません。[1]
  • コネクタが保守性を左右し始める。Marvellのリファレンスコンピュートトレイは、各XPUに4つの6.4T光エンジンを組み合わせ、各エンジンは2つの36ファイバ着脱式コネクタに接続します。トレイ全体で32個のコネクタと合計1,152本のファイバを備えます。ここでは、再現性のある調心とクリーニングは付属品の問題ではなく、システム信頼性の問題です。[3][4]
  • 量産の閾値はマルチフィジックス協調設計です。標準フレームワークが示す信頼性目標、3.2T光エンジンの消費電力例、液冷コールドプレートの高さは、CPOの競争がチップ帯域幅からファイバ、接続、熱、テストの協調能力へ移行していることを示しています。[2]

OIF標準にすでに明記されている「4本または8本のファイバ」

OIF 3.2T CPOモジュールは、51.2Tスイッチの基本ビルディングブロックとして定義されています。1つのシステムでは、スイッチASICの近くに配置された16個の3.2Tモジュールを使用します。プロトコルには、8×400GBASE-DR4、8×400GBASE-FR4、内部レーザまたは外部レーザ版など、複数のモジュール形態が記載されています。[1]

モジュールフォームファクタライン側レーザー光源システムへの影響
400G-DR4 / FR4 IL8×400Gモジュール内統合モジュールはよりコンパクトになるが、レーザーの熱負荷が光エンジンパッケージに及ぶ
400G-DR4 / FR4 EL8PMF8×400G外付け、8本の偏波保持ファイバ光源は保守可能ですが、ファイバ本数と位置合わせ点が増加します
400G-DR4 / FR4 EL4PMF8×400G外付け、4本の偏波保持ファイバレーザーのファイバーコアへの入力を低減するが、単一ファイバーはより高いパワーを伝送し、より強い分岐損失を負担する

プロトコルは特に、4本のファイバを使用する場合の一例として、約9 dBの分岐損失と約3 dBの変調損失があり、残りのバジェットはモジュールの入出力結合、スプリッタ、導波路、変調器、マルチプレクサに割り当てられることを注記しています。このバジェット構造は、外部レーザが無償の信頼性向上ではなく、より多くの光パワー管理の負荷をファイバ、コネクタ、パッケージ内部へ移すことを示しています。[1]

OIF外付けレーザーが偏波保持ファイバを使用する理由

OIF 3.2T外部レーザーモジュールでは、プロトコルがフィード用光媒体として標準のシングルモードファイバーではなくPMファイバーを明示的に指定しています。これは特定のアーキテクチャ上の選択であり、すべてのCPOがPMFを使用しなければならないと拡大解釈すべきではありません。この種の外部レーザーインターフェースを採用するシステムでは、シリコンフォトニックモジュールに入射したCW光は依然として分岐、変調、多重化を経て、接続、巻き取り、温度、機械的応力の変動下でも偏波状態を予測可能に保つ必要があります。PANDAファイバーはコアの両側に応力付与部を配置することで複屈折を生じさせ、ベンダーの資料ではコパッケージド光学、コヒーレントDWDM、ファイバレーザー用途として記載されています。[7]

ただし、「偏波保持」は「どのように接続してもよい」という意味ではありません。サプライチェーンでは、少なくとも動作波長とカットオフ波長、ビート長、クロストークまたは消光比、クラッド径、被覆、曲げ半径、コネクタのキーイング、軸合わせを同時に確認する必要があります。HeracleのPANDAデータシートは80 μmと125 μmのクラッドオプションを提供し、消光比の仕様は100メートルあたりで示されています。これは、システムベンダーが単一の偏波消光比の数値をそのまま流用するのではなく、長さ、巻き半径、コネクタをまとめてバジェットに組み込む必要があることを意味します。[7]

偏波保持ファイバのパラメータCPOにとって重要な理由見積に必要
動作/カットオフ波長対象波長帯が真にシングルモードであるか、高次モードが発生するかを判定しますレーザー中心波長、波長範囲、曲げ条件
ビート長と複屈折偏波保持能力と外乱に対する感度を決定します長さ、コイル半径、温度サイクル
消光比/クロストーク変調器に入射する前の偏波純度を決定試験長、コネクタ、軸定義
ジオメトリとコーティングコネクタの位置合わせ、端面品質、長期的な機械的信頼性を判定しますクラッド、コーティング、キーイング、嵌合耐久性

外部レーザーの価値とコスト

OIFのフレームワークは、外部レーザーがCPOスイッチの保守性を向上させ得ると指摘しています。故障したレーザーは交換でき、システムはELSの出力パワーを増やすことで部分的に補償できます。集積レーザーはインターフェース損失を低減しますが、レーザーの発熱と故障が光エンジン内に持ち込まれます。[2]これはシステム上のトレードオフであり、「外付けが常に集積より優れている」というわけではありません。

コンポーネントレベルでは、SENKOはELSFPをホットプラグ可能な外部レーザー接続ソリューションとして位置付けています。一端はCPOスイッチ基板上に固定されたホストコネクタ、もう一端はレーザーモジュールとともに挿抜されるモジュールコネクタであり、自己調心構造を介して最大2組の低損失MTフェルールをブラインド嵌合します。これにより保守のダウンタイムを削減できますが、「ホットプラグ可能」「最低挿入損失」「より高い信頼性」はあくまでサプライヤーの目標であり、繰り返し嵌合、汚染、端面検査、ランダムサンプル試験によって検証する必要があります。[8]

信頼性目標もこの点をよく示しています。このフレームワークでは、16基の3.2T光エンジンを搭載した51.2Tスイッチをモデルにした例が示されています。現在のプラガブルモジュールの故障率約300 FITをCPOシステム全体に単純に掛け合わせるだけでは不十分であるため、この例では光エンジンに10 FIT、3.2Tレーザー光源に50 FITという目標を設定しています。これらは信頼性設計の目標であり、すでに達成された実測データではありません。[2]

SENKOとMarvellが2025年に発表した36チャネル着脱式光PICコネクタは、別のアプローチを提供します。高密度光インターフェースを着脱可能にすることで、組立、試験、修理を支援するものです。ベンダーは低結合損失と再現性のある位置合わせを強調していますが、顧客は挿入損失分布、汚染、嵌合回数、現場での清掃手順を通じて検証する必要があります。[4][6]

コネクタはアクセサリからシステム機能へと進化

OIF 3.2Tプロトコルは単一のコネクタ形態を規定しておらず、システムがシャーシ内アダプタへのMPO型コネクタを使用できること、または実装者が他のソリューションを選択できることのみを述べています。この「完全には規定されていない」点こそが産業化の難しさです。インターフェースが最後のコネクタに至るまで定義されていない場合、システムベンダーの機械的許容差、パネル密度、クリーニング、保守戦略が差別化能力となります。[1]

フレームワーク文書はさらに、接続数の増加が挿入損失を増大させること、高密度MPOがCPOのスペースと密度の要件を満たせない可能性があること、51.2Tスイッチのフロントパネルには256～1,024本のファイバが搭載される可能性があること、標準コネクタの損失の「ロングテール」が多数の接続によって増幅されることから、CPOシステムでは低損失コネクタがしばしば要求されることを指摘している。[2]

コネクタ間の競争は「挿せるかどうか」だけでなく、次のクローズドループにあります：

  1. ウェハレベルまたは光エンジンレベルで先にテストを実施し、不良部品を修復不可能なパッケージに持ち込まないようにできるか；
  2. 着脱可能なインターフェースが、複数回の嵌合サイクル後もサブミクロンレベルの再現可能な位置合わせを維持できるかどうか；
  3. 端面汚染を検査、清掃し、保守プロセスに組み込めるかどうか；
  4. コネクタ、光ファイバーアセンブリ、トランシーバモジュールが挿入損失と反射損失のバジェットを共同で定義できるか；
  5. 故障をレーザー、コネクタ、ファイバーアセンブリ、または光エンジンに追跡できるか、パッケージ全体を廃棄するのではなく。

1,152本のファイバの背後にある熱と管理の問題

Marvellは2025年11月のCPOリファレンスデザインで、1U AIコンピュートトレイを説明しています。最大4つのXPU、合計102.4 Tbps、実際のファイバ本数は1,152本です。各XPUは4つの6.4T光エンジンに接続し、各光エンジンは2つの36ファイバ着脱式MPCに接続します。トレイ全体で合計32個のMPCとなります。[3]

同一参照システムのスイッチ側は16個の光エンジンと1,152本のファイバを使用し、そのうち128本がレーザー供給用、1,024本がデータ用である。16個のレーザーモジュールは保守性と放熱性を向上させるためパネル側へ移設されている。コールドプレートの有効高さはわずか3.6 mmで、従来の空冷ソリューションより薄い。ここで重要なのは個々の数値そのものではなく、ファイバ管理、レーザー保守、コールドプレート、コネクタ洗浄、ケーブル曲げが同一空間内で協調設計を余儀なくされる点にある。[3]

システムトレードオフ公開情報直接外挿することはできない
密度と保守性32 MPC、1,152ファイバすべてのCPOシステムがこの密度を達成する必要はありません
熱および信頼性3.2T@10 pJ/bit ≈ 32 W、液冷コールドプレートの有効高さ3.6 mm実フィールド故障率は未測定
レーザーの保守性パネル側に配置された16個の外部レーザーモジュール異なるアーキテクチャでは冗長性と配置のアプローチが異なる場合がある
リンクバジェット接続点が増えると挿入損失が増加し、大規模システムではロングテールが増幅されます具体的な値は製品図面と実測によって決定する必要がある

OIFフレームワークは10 pJ/bitを例に計算しており、3.2T光エンジンは約32 Wの電力に相当します。その例示環境では、室内周囲温度は15～35°C、相対湿度は最大90%、結露防止が必要です。この例はそのまま熱設計仕様として扱うことはできませんが、CPOの熱問題が「チップのホットスポット」から「コールドプレート、コネクタ、ファイバが共に加熱される問題」へと拡大したことを示すには十分です。[2]

調達は単に「何Tか」を問うだけでは済まない

基準およびシステム参照設計の観点から、CPOサプライヤーはモジュールレートだけを見積もるのではなく、技術確認書に以下の項目を含める必要があります：

お問い合わせ項目推奨事項と要件受入証拠
外部レーザーアーキテクチャ4本または8本のPMファイバ、波長、パワー、冗長性、交換方法光パワーバジェット、故障注入、抜き差し後の再試験
偏波保持ファイバ動作/カットオフ波長、ビート長、消光比、コイル半径、長さ合意された長さとコネクタに基づくエンドツーエンド試験
コネクタチャネル数、キーイング、挿入損失、反射減衰量、嵌合耐久性、清掃方法バッチ挿入損失分布と端面汚染検査
熱設計冷却板の接触面、治具の押圧、許容ケース温度、結露の境界システムレベルの熱サイクルとホットスポットマッピング
信頼性EOL定義、FIT目標、冗長化戦略、故障箇所特定加速寿命試験と故障解析を、サンプル範囲を超えた外挿なしで行います

Topraysへのエンジニアリング的示唆

CPOは「光インターコネクト」をデバイスレベルの問題から、ファイバ、接続、パッケージング、熱、試験を含むシステムレベルの問題へと引き上げます。材料やファイバ分野のTopraysのようなサプライチェーン参加者にとって、機会は特定のCPOモジュールのBOMに参入することだけでなく、検証可能な材料および部品のインターフェースを提供できるかどうかにあります。

  • 波長、曲げ半径、温度サイクルに応じてPMファイバーの幾何形状、コーティング、偏波指標を定義する；
  • 光ファイバーアセンブリの端面、挿入損失、反射減衰量、清浄度、嵌合耐久性のデータを提供します；
  • 石英材料、光ファイバープリフォーム、コーティング、コネクタプロセスを同一のバッチトレーサビリティ記録にまとめます；
  • 受け入れ時にシステムレベルの熱サイクル、結露、振動試験を含め、室温での単一点測定のみを行わないこと；
  • 顧客の光パワーバジェットを用いてファイバーごとのパワーと反射損失マージンを導出し、モジュールのTbpsだけを比較しないこと。

これこそが、この記事を「ある光エンジンがどれだけ高いレートを達成したか」という話と区別する点でもあります。CPOが真に量産へ向かうとき、顧客が買うのは孤立した光エンジンではなく、組み立て、試験、清掃、保守、責任追跡が可能な光リンクです。[5][9]

編集判断

CPOの標準化作業では、外部レーザー、偏波保持ファイバ、着脱式コネクタ、熱管理がすでにシステム境界に組み込まれている。ベンダーの参照設計は、密度と保守性を千本規模のファイバと数十個のコネクタのレベルまで押し上げている。サプライチェーンにとって、次段階の差別化はシリコンフォトニクスチップのみで決まるのではなく、「材料と接続が熱、汚染、曲げ、ロットばらつきの下で検証可能であり続けられるかどうか」によって決まる。

Topraysが事前に構築すべきは、ファイバ、石英材料、コネクタ部品のテストデータインターフェースであり、まだ完全に標準化されていないコネクタ名を追い求めることではない。顧客が最終的に必要とするのは、再現可能なエンドツーエンドの光パワーバジェット、トレーサブルな材料、および実行可能な保守戦略である。

REFERENCES

  1. 3.2Tb/sコパッケージド(CPO)モジュールの実装契約 — OIF（標準、高）
  2. コパッケージングフレームワーク文書 — OIF（標準、高）
  3. コパッケージド光学: AIデータセンターイノベーションの次なる波を牽引 — Marvell（メーカー、高）
  4. MarvellとSENKO、着脱可能な36チャネル光PICコネクタでAIインフラを進展 — SENKO（メーカー、高）
  5. コパッケージド光学の研究進展 — Micromachines 15(10), 1211（査読済み、高）
  6. コパッケージド光学向け拡大ビームコネクタの高出力試験 — SPIE Optical Interconnects XXIV(会議、高)
  7. 偏波保持ファイバー（Panda） — Heracle（メーカー、高）
  8. ELSFPコネクタ — SENKO（メーカー、高）
  9. 次世代シリコンフォトニクスのロードマップ策定 — Nature Communications 15（査読済み、高）

本記事はOIF標準、ベンダーリファレンスデザイン、公開論文を区別しています。標準はインターフェースとシステム境界を定義し、Marvell/SENKOの図はベンダーリファレンスデザインに属し、論文はパッケージング、結合、システムのボトルネックを説明するために用いています。1,152本のファイバー、32個のコネクタ、3.6 mmのコールドプレートは、すべてのCPOシステムに共通する仕様ではありません。外部資料はreference_onlyであり、実際の製品と検収は顧客図面、サンプルテスト、最終仕様に従います。AI生成のイラストは用途の文脈を説明するのみで、実製品を表すものではありません。