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コラム2026年10月14日

半導体の「光電融合」とは？－CPOとの違いとAIデータセンターで注目される理由

#半導体 #製造

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この記事で分かること

光電融合とCPOの概念上の違い

光電変換部の配置から見る、プラガブルとCPOの違い

異種材料集積が重要となる理由（シリコンとIII-V族の役割分担）

異種材料集積を実現するOKIのCFB技術

生成AIの普及に伴い、データセンターではGPUやASICの演算性能だけでなく、チップ間・装置間におけるデータ伝送の高速・大容量化が重要になっています。従来の電気配線では、高速化に伴って伝送損失や消費電力、発熱が増加し、伝送距離の制約も厳しくなることから、演算・制御を担う電気回路と大容量伝送に適した光回路を組み合わせる「光電融合」が注目されています。

本記事では、光電融合の基本と、その実装形態の一つであるCPO（Co-Packaged Optics）との関係を解説します。さらに、従来のプラガブル方式とCPOの違い、CPOにおいて光電変換部をASICの近くに配置する目的、そして光電融合の高性能化を支える異種材料集積と、それを実現するOKIのCFB技術までを整理します。

AIデータセンターにおけるデータ伝送電力の増大

生成AIの普及に伴い、データセンターで処理するデータ量が急増し、電力消費と発熱の抑制が社会的な課題となっています。

AI処理基盤では、多数のGPU（Graphics Processing Unit、大量の演算を並列処理する半導体）などのアクセラレーターを相互接続し、HBM（High Bandwidth Memory、演算用の半導体に隣接して配置される広帯域メモリ）との間も含めて大量のデータを高速に伝送しなければなりません。しかし、電気信号は配線が長くなるほど減衰し、伝送速度の向上に伴って信号を安定して伝送するための補償回路や再駆動回路も必要になるため、データ伝送に伴う消費電力と発熱が増加します。

こうした課題への対応策として注目されているのが、電気信号を光信号に変換して情報を送る技術である光伝送です。光信号は、長距離・大容量の伝送でも損失を抑えやすく、電磁ノイズの影響も受けにくいという特長があります。電気信号と光信号を相互に変換する光電変換部を演算・スイッチICの近くに配置すれば、電気配線を短縮できます。一方で、発熱量の大きい演算・スイッチICの近くに光源や受光器などの光半導体を含む光電変換部を実装することになるため、放熱、実装、検査、保守を考慮した設計上の技術要件が厳しくなります。

光電融合の基本概念―電気処理と光伝送の機能分担

光電融合とは、演算・記憶・制御を担う電子回路と、光の生成・変調・受光・伝送を担う光回路を組み合わせ、電気信号と光信号を相互に変換しながら情報を処理・伝送する技術です。

光電融合では、電気配線をすべて光配線へ置き換えるのではなく、それぞれの特性に応じて機能を分担させます。電気信号は演算や制御に適している一方、高速・大容量の伝送では、配線の長さに応じた伝送損失や消費電力、発熱が課題となります。データ伝送の一部を光信号に置き換え、光電変換部までの電気配線の長さを短縮することで、伝送性能と電力効率の向上が期待できます。

その実装には、光半導体だけでなく、GPU・ASIC・HBMなどのデバイス／光・電気回路／異種材料集積／パッケージ・基板／光ファイバーとの接続まで、複数の技術領域が関わります。CPOは、こうした光電融合を実現する構成の一つであり、光電変換部を演算・スイッチICの近くへ配置する点に特徴があります。

CPOの基本構成－ASICと光エンジンの近接配置

光電融合を実現する構成の一つが、CPO（Co-Packaged Optics）です。CPOでは、ネットワークスイッチ向けASICなどと光エンジンを同一パッケージ基板上に近接して配置し、両者を接続する電気配線を短縮します。

光エンジンは、光導波路、変調器、受光器などを集積した光信号を処理するためのPIC（Photonic Integrated Circuit）と、変調器を駆動するドライバー回路や受光信号を増幅するTIA（トランスインピーダンス増幅器）などを集積した電気信号を処理するためのEIC（Electronic Integrated Circuit）を中心に構成されます。光源をパッケージ内に搭載するか外部に配置するか、PICとEICを平面方向に並べるか積層するかなど、具体的な構成には複数の方式があります。

構成要素	主な役割
ASIC・スイッチIC	演算やパケット処理、ルーティングを担う
PIC	光信号の導波、変調、受光、合分波を担う
EIC	PICを電気的に駆動し、受信信号を増幅・処理する
レーザー	送信に用いる光源。内部搭載型と外部光源型がある
パッケージ・基板	各チップの電気接続、電源、放熱、機械的支持を担う
光接続	パッケージからボード、装置外へ光信号を伝える

プラガブル／OBO／NPO／CPOの構成比較

CPOと従来のプラガブル方式のもっとも大きな違いは、電気信号と光信号を変換する光電変換部の配置です。

次の図で示すように、プラガブル方式では、光電変換部を装置前面にある交換可能なモジュールに配置するのに対し、CPOでは光電変換部をASICと同一パッケージ基板上に近接配置します。その中間的な構成として、ボード上に光電変換部を配置するOBO（On-Board Optics）や、ASICパッケージの近くに配置するNPO（Near-Packaged Optics）などがあります。

光電変換部をASICへ近づけるほど、電気信号を伝送する区間が短くなり、伝送損失や消費電力の低減が期待できます。その一方で、光電変換部を単独で交換することが難しくなるため、一部の不具合が装置全体の交換につながりやすくなります。そのため、長期にわたり安定して動作する信頼性や、故障時の交換単位を抑える保守方法を含めた設計が必要です。なお、OBOとNPOの定義や適用範囲は、業界内で必ずしも統一されていません。

プラガブル／OBO／NPO／CPOの構成比較イメージ

これらの方式は、新しい構成が従来構成を一律に置き換える関係ではありません。求められる伝送容量や消費電力、コストに加え、光電変換部の交換可能性や装置の運用・保守方法を考慮し、用途ごとの要求条件に適した構成を選定します。

なぜ異種材料集積が必要か

光電融合では、光を発生させる光源や、光を制御・受信する回路を、小さな領域にまとめる必要があります。光源をPICに組み込む方式のほか、外部に置いたレーザーから光を供給する方式もあります。こうした光回路をどの材料で構成するかが、光電融合の実装における出発点です。

シリコンは半導体製造で培われた微細加工の技術が成熟しており、光を導く光導波路や、光信号を操作する変調器、光信号を電気信号に変換する受光器を高い精度で集積できます。また、既存の半導体製造設備やプロセスを活用できるため、大規模化や低コスト化が期待できます。しかし、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、電気信号を光に変換するレーザーなどの光源材料には適していません。発光には、InP（インジウムリン）に代表されるIII-V族（さんごぞく）化合物半導体が用いられます。

光導波路に適したシリコンと、発光に適したIII-V族化合物半導体を一つのチップ上で組み合わせる技術が、異種材料集積です。高性能で小型な光回路を実現するうえで、異種材料集積は重要な技術の一つです。

異種材料集積を実現するCFB

性質の異なる材料を一つのチップに集積する方法の一つが、OKIのCFB（Crystal Film Bonding）です。CFBでは、化合物半導体ウエハー上に形成した機能層を結晶薄膜として剥離し、接着剤を使わずにシリコン基板などの異種材料へ直接接合します。これにより、発光を担うInP系の光半導体と、光導波路を担うシリコン基板を、一つのPICとして集積できます。

CFBは単一の手法ではなく、異種材料集積を実現するために様々な方法と材料のバリエーションを含む技術群です。大口径のシリコンウエハー全面へ光デバイスを効率よく展開する「タイリングCFB」技術や、機能層を積み重ねて集積度を高めるCFBを用いた「薄膜チップレット」技術は、いずれもCFBを基盤としています。

CFBの詳しい仕組みや、実証・量産に向けた取り組みは、別記事で解説します。

まとめ

光電融合は、演算・制御を担う電子回路と、高速・大容量の伝送を担う光回路に役割を分担させ、AIデータセンターに求められる高速化と省電力の両立をめざす技術です。CPOは、光電変換部をASICの近くに集積してこの分担を実現する構成の一つであり、従来のプラガブル方式に比べて電気配線の長さを大幅に短縮できます。

光電融合の高性能化では、光回路を成り立たせる異種材料集積が重要な役割を果たします。OKIは、InP系の光半導体とシリコンを直接接合するCFBをはじめ、異種材料集積に関わる技術と実績を有しています。光電融合や異種材料集積、CFBに関する技術相談や共創をご検討の方は、OKIまで下記のフォームでお問い合わせください。

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