VCSELトランシーバーの最新動向

1．はじめに

近年，データセンターにおける人工知能（Artificial Intelligence, AI）および機械学習（Machine Learning, ML）技術の普及が目覚ましい。それに伴い，AI/MLの帯域幅は2年ごとに約35倍に拡大している¹⁾。一方で，データセンターの電力需要は2023年から2030年にかけて15％の年平均成長率になると予測されている。それ故，データセンター内の光インターコネクトの広帯域化および省電力化が大きな課題となっている。面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）は，低い駆動電流で動作するために，省電力特性に優位である。また，VCSELは，ドライバーICと共に基板上にボンディングされ，ワイヤボンディングで接続できるために，簡素な実装と簡単な工程を実現でき，コスト面でも優位である。これまで，850 nm GaAs VCSELとMMF（Multimode Fiber）を組み合わせた光インターコネクトは，データセンター及びハイパフォーマンスコンピューティングに広く採用されてきている。このVCSELインターコネクトでは，MMFのモード分散により伝送距離が数百m以内に制限される。しかし，AI/MLで必要とされる伝送距離は数十m以内であり，十分に適用できるため，VCSELトランシーバーが主に用いられている。現在，標準化されたSFF（Small Form Factor）を用いた800 Gb/sプラガブル光トランシーバーの導入が進んでおり，例えば，QSFPDD800では，8チャンネルの50 Gbaud PAM4（100 Gb/s）信号を並列に信号伝送する²⁾。現在，さらなる広帯域を実現するために，1.6 Tb/sプラガブルトランシーバーの開発が進んでおり，チャンネル当たり100 Gbaud PAM4（200 Gb/s）が必要とされる。そのため，広帯域化に優位とされる変調器を用いたPIC（Photonics Integrated Circuit）の採用が盛んに検討されている。変調器によって1.31 μm帯のSM（Single Mode）の光信号を生成し，SMF（Single Mode Fiber）を用いて伝送することで，データセンター内の全ての伝送距離をカバーすることができる。しかしながら，低コスト及び省電力の観点からVCSELトランシーバーは依然として魅力的である。サーバの実装形態の観点では，電気伝送損失を顕著に抑制し，DSPを削除することで，広帯域化及び省電力化を実現するCPO（Co-Packaged Optics）の導入が進むことが期待されている。PICを用いた小型CPOトランシーバーについて多くの報告があるが，VCSELのCPOへの適用も期待される。本稿では，100 Gbaud以上の実現を目指したVCSELの開発動向と，VCSELを用いたCPOトランシーバーの動向について解説する。