シリコンフォトニクス：高速光通信の未来への扉を開く
郭浩中 教授團隊
國立陽明交通大學 光電工程學系
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一、はじめに |
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図1 シリコンフォトニクスの応用分野 |
データセンターの拡大、人工知能の発展、そして5Gおよび6G通信技術の台頭に伴い、高速データ伝送の需要は世界中で高まっています。従来の電子部品は速度とエネルギー効率の面で限界に近づいており、「シリコンフォトニクス」(Silicon Photonics)が業界の注目を集めています。シリコンフォトニクスは、シリコン材料を用いて光学部品を製造する技術で、既存の半導体プロセスとの互換性があるため、高効率、低消費電力、かつ量産可能な光学ソリューションを提供します。
シリコンフォトニクスの応用分野は、データセンター、通信、LiDAR、自動運転、医療用画像、量子コンピューティング、高性能コンピューティングなど多岐にわたります。これらのアプリケーションはすべて、中心となるシリコンフォトニクスチップに接続されており、さまざまな技術における中核的な役割を象徴しています。 |
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二、シリコンフォトニクスの概要 |
光通信伝送に他の材料ではなくシリコンが選ばれる理由は何でしょうか？図2は、光通信伝送に使用されるさまざまな材料とシリコンの比較です。例として、III-V族材料であるInPは、外部光源とのカップリングやパッケージングを必要とせず、光源を直接統合できるという利点がありますが、この材料の現在のプロセスは4インチ以下であるため、歩留まりが低く、コストが高いという欠点があります。ガラスの場合は、低コストで材料の入手が容易という利点がありますが、歩留まりが不安定で、プロセス技術がまだ開発段階にあるという欠点があります。最後に、ポリマー材料は、低コストでプロセスが速いという利点がありますが、信頼性が低く、品質管理が難しく、変形しやすいという欠点があり、高周波伝送に悪影響を及ぼします。
 図2 光通信の導波路材料の比較 |
シリコンフォトニクスとは、シリコンを基本材料として光部品を製造し、光信号の伝送、変調、検出、処理を実現する技術を指します。従来の電子信号とは異なり、光信号は消費電力を抑えながら高速データ伝送が可能であるため、高性能コンピューティングや高速ネットワークにおいて重要な役割を果たしています。
シリコンフォトニクスの主な利点は以下のとおりです。
- 高速伝送：光信号の帯域幅は電気信号よりもはるかに広く、数百GHz以上にも達します。
- 低消費電力：光信号伝送時のエネルギー損失が少ないため、電子伝送に比べて発熱と消費電力を抑えることができます。
- 高集積：シリコンフォトニクスは既存のCMOSプロセスと互換性があり、電子部品と光部品をワンチップに統合できます。
- 拡張性：既存の半導体プロセスで大量生産が可能であり、製造コストの低減にもつながります。
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三、シリコンフォトニクスの主要技術 |
シリコンフォトニクスシステムの中核部品には、能動素子（レーザー、変調器、検出器など）と受動素子（導波路、カプラ、ビームスプリッタなど）が含まれます。このうち、導波路素子は光信号の伝送と操作を担います。以下に主な技術の概要を示します。
- 能動素子:
- レーザー光源：通常、OバンドおよびCバンドの高出力（40mW超）分布帰還型レーザーが使用され、端面発光型が一般的です。
- 光検出器：送信側Txからの光信号を、受信側RxでGeを用いた光検出器によって受信し、光電流に変換します。その後、TIAなどの電子チップによって信号処理します。
- 光変調器：RF電力による制御で、変調器が動作し、光のON/OFF（開閉）を制御します。速度を上げることで、高周波のデジタル信号が生成されます。
- 受動素子:
- Mux/Demux(マルチプレクサ/デマルチプレクサ)：通常、中距離および長距離伝送に使用され、波長分割多重化および光ミキシングに使用されます。主に複数の波長を扱うマルチモード信号の処理に使用されます。
- カップリング（Coupling） I/O：外部光源をシリコンフォトニクス部品に導入します。方式としては、エッジカップリング（Edge coupling）、グレーティングカップリング（Grating coupling）、V溝カップリング（V-groove coupling）などがあります。
- 光フィルター（Optical filter）：医療検検査にも用いられます。
- 干渉計/スイッチ（Interferometer/Switch）：光の位相変調を行い、光の方向を調整します。
- スプリッタ/コンバイナ（Splitter/Combiner）：主にシングルモード光信号を複数の出力に分割したり、複数の光を統合したり、光パワーを分配したり、方向を調整したりするために使用されます。
- 偏波ダイバーシティ（Polarization Diversity）：TE（横電界）とTM（横磁界）モードの伝搬特性が異なるため、一部のデバイスは特定の偏波状態にしか対応できない場合があります。例えば、MZI変調器や光カプラは主にTEモードをサポートし、TMモードでは効果的な伝送ができない可能性があります。
- 導波路：シリコンフォトニクスチップにおける光の主な経路。光路とも呼ばれ、ICにおける回路機能に相当します。
 図3 シリコンフォトニクスの構成要素：能動構造、受動構造、導波構造 （Intel） |
2.5Dパッケージングは、従来の2Dパッケージング（チップを平面基板上に配置）と3Dパッケージング（チップを多層に積層）の中間に位置する技術です。主にシリコンインターポーザーを用いて複数のチップ（プロセッサ、メモリなど）を同一平面上に配置し、シリコン貫通電極（TSV、Through-Silicon Via）によって性能を向上します。シリコンフォトニクス部品を組み合わせて光電集積モジュールを構築すれば、高速電気信号の一部を光信号に置き換えることで、損失を低減し、さらなる高速伝送の実現が可能です。
 図4 2.5Dパッケージングシステムの基本光学素子：レーザー光源、変調器、復調器、マイクロリング共振器、導波路 |
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1. 光変調技術 |
光変調はシリコンフォトニクスの中核機能の一つであり、効率良く電子信号を光信号に変換できるかどうかを決定づけます。一般的な光変調技術には以下のものがあります。
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図5 従来のマッハツェンダー変調器：2つの導波路が電気的に変調され、異なる位相の光出力信号が生成されます |
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図6 マイクロリング/マイクロディスク共振変調器とその側面構造 |
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図7 リングアシスト・マッハツェンダー変調器
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図8 電界吸収変調器の模式図：グラフェンの集積化によるさらなる性能の向上 |
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2. シリコンフォトニクスにおける光変調機構 |
光変調器は、さまざまな物理的メカニズムを用いて光の特性を変化させ、高速データ伝送を実現します。主な変調メカニズムには以下のものがあります。
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図9 シリコンフォトニクスにおける光変調機構と関連する理論的枠組み |
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3.シリコンフォトニクスにおける光検出器 |
光検出器（PD, Photodetector）は、光信号を電子信号に変換する役割を担い、シリコンフォトニクスに不可欠な構成要素です。一般的な技術には、以下のものがあります。
- ゲルマニウム/シリコン（Ge/Si）光検出器：ゲルマニウムの光吸収特性を利用し、シリコンチップと統合することで高性能検出を実現します。
- グラフェン光検出器：グラフェンの高いキャリア移動度と広帯域吸収特性を利用し、超高速検出を実現します。
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4. 矽光子波導與光學連接 |
- 導波路技術：シリコンフォトニクス導波路は、光信号をさまざまな素子に誘導し、システム全体の性能を向上させます。
- 光インターコネクト：シリコンフォトニクスは、データセンターやスーパーコンピュータに応用することで、伝送遅延と消費電力を削減できます。
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四、シリコンフォトニクスの応用分野 |
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1. 高速光通信 |
シリコンフォトニクスの主な応用分野は、高速光通信です。例えば、以下の分野が挙げられます。
- データセンターインターコネクト：シリコンフォトニクスを用いて、サーバー間のデータ伝送速度を向上させます。
- FTTH（Fiber To The Home）：シリコンフォトニクスモジュールを用いて光ファイバーネットワークの性能を向上させます。
- 衛星・宇宙通信：光レーザー通信への応用で、長距離通信能力を向上させることができます。
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2. 高性能コンピューティング（HPC） |
- 人工知能（AI）と機械学習：シリコンフォトニクスは、データ転送を高速化し、AIコンピューティングの性能を向上させることができます。
- 量子コンピューティング：シリコンフォトニクスは、量子光コンピューティング・プラットフォームの開発に利用されています。
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3. バイオメディカルおよびセンシング技術 |
- 光バイオセンサー：シリコンフォトニクスバイオセンサーは、COVID-19ウイルス検出など、病気の診断に利用できます。
- 環境モニタリング：光センサーを用いて大気汚染や水質汚染を検出します。
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五、シリコンフォトニクスの将来展開 |
- 変調速度と帯域幅の向上
- 窒化シリコンやニオブ酸リチウム（LiNbO₃）などの新材料の研究により、光変調性能を向上させます。
- 消費電力と熱の影響の低減
- グラフェンやフォトニック結晶などの新技術を用いて、消費電力と温度変動を低減します。
- 光子と電子の高度な統合
- シリコンフォトニクスチップを開発し、既存の電子部品とより密に統合することで、全体的なコンピューティング性能を向上させます。
- 新たなアプリケーションの拡大
- バイオメディカル、スマートセンシング、量子通信などの分野におけるシリコンフォトニクスの応用をさらに推進します。
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六、結論 |
シリコンフォトニクスは急速に発展し、光通信、コンピューティング、センシング技術の革新を牽引しています。変調効率の継続的な向上、消費電力の低減、統合の強化により、シリコンフォトニクスは将来のデジタル基盤の主要技術の一つとなるでしょう。今後、プロセス技術と材料科学の進歩に伴い、シリコンフォトニクスはその応用範囲をさらに拡大し、通信や計算の方法を変革していくでしょう。データ量が指数関数的に増加する中、現代の光通信ネットワークにおける高速光変調器の需要は高まっています。次の表は、シリコンフォトニクスにおける各種変調器の性能、利点、課題をまとめたものです。これは、アプリケーションの要件に応じて最適な変調技術を選択するために役立ちます。
表一、不同類型矽光調製器能力總表
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パラメータ |
マッハツェンダー変調器 (MZM) |
リング変調器 (Ring Modulator) |
リングアシスト・マッハツェンダー変調器 (RAMZM) |
電界吸収型変調器 (EAM) |
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帯域幅 (GHz) |
Max >110 GHz Standard: 30–110 GHz |
Max >77 GHz Standard: 30–77 GHz |
Max: 58.5 GHz Standard: 8.5–58.5 GHz |
Max: 89 GHz Standard: 26.8–89 GHz |
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電圧-長さ積 (Vπ·L) |
Min. : 0.003 V·cm Standard: 0.003–1.6 V·cm |
Min. : 0.52 V·cm Standard: 0.52–0.8 V·cm |
Min. : 0.025 V·cm Standard: 0.025–1.73 V·cm |
明確なデータなし |
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消光比 (ER, dB) |
Max: >50 dB Standard: 3.15–50 dB |
Max: 25 dB Standard: 3.5–25 dB |
Max: 30 dB Standard: 8–30 dB |
Max: 14.15 dB Standard: 3–14.15 dB |
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挿入損失 (IL, dB) |
約 1.7 dB - 18 dB， 長さ・材料に依存 |
＜0.7 dB - 約14 dB，通常低い |
2 dB - 10.5 dB，設計に依存 |
1.8 dB - 6.2 dB，材料の吸収による |
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デバイスサイズ |
長さ約 0.12 mm - 3 mm，面積大きめ |
半径約 3.7 µm - 15 µm，極小 |
面積約 80×60 µm² ～，リング＋干渉器を含む |
約 40×0.3 µm²， シンプル・コンパクト |
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データ伝送速度 (Gb/s) |
Max: 560 Gb/s Standard: 80–560 Gb/s |
Max: 330 Gb/s Standard: 128–330 Gb/s |
Max: 320 Gb/s Standard: 12–320 Gb/s |
Max: >112 Gb/s， Standard: 32–112 Gb/s |
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利点 |
線形性が高く広帯域、長距離伝送に最適； 混合集積も可能 |
コンパクト・高速・低消費電力、高密度集積向け |
消光比と帯域幅のバランスに優れる |
高変調効率・低消費電力・CMOS互換、グラフェンの集積化で性能拡張 |
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課題 |
帯域幅の限界、混合集積による製造複雑化 |
速度・効率・熱安定性のバランスが必要、製造誤差に敏感 |
リング＋干渉器の統合による設計・製造の高度化 |
グラフェン接触抵抗の課題、速度と効率のトレードオフ |
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使用材料 |
シリコン、LiNbO₃、 シリコン-有機混合材料 |
SOI、SiN、混合材料 |
InP薄膜、 SOI上のリング構造 |
Ge、SiGe量子井戸、グラフェン‐シリコンハイブリッド構造 |
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代表用途 |
長距離通信、データセンター、大容量ネットワーク |
チップ内接続、データセンター、高密度用途 |
RFフォトニクス、高消光比・広帯域用途 |
データセンター、通信、光ファイバ無線通信、高速光検出 |
