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    • 6月13日

【SiPhシリーズ】光速航行：シリコンフォトニクス技術の驚異的な応用

Thanks to PIDA 財團法人光電科技工業協進會


發布日期： 2024-05-10


5G、生成AI、メタバースなどの新興アプリケーションが急速に発展する中、データ伝送量と伝送速度の要求も飛躍的に増加しています。高速低遅延のデータ伝送ニーズを満たすために、先進的なパッケージ技術であるシリコンフォトニクス共封止モジュール技術（Co-packaged optics、CPO）が光電子および光学素子を統合し、チップ開発者により多くの通信帯域幅を提供します。これにより、高速低遅延のデータ伝送を実現するだけでなく、データ伝送時の消費電力も大幅に削減され、現在の地球規模の低炭素・省エネの要請にも応えています。この優位性により、CPOは次世代の高速ネットワークチップにおいて重要な技術の一つとなるでしょう。


新技術の後押しを受け、Yoleが発表した「Silicon Photonics 2022- Market and Technology Trends Report」によれば、世界のシリコンフォトニクス市場規模は2027年に50億ドルを突破する見込みです。2022年から2027年にかけての年平均成長率は30%にも達するとされています（図1参照）。主な理由は、光通信およびデータセンターの光インターコネクト技術の急速な発展と、業界で期待されているフォトニックプロセッシングの部分が挙げられます。今後、商用の光計算チップはまだ市場に出ていませんが、開発に値する応用分野であり、全体市場でも重要な地位を占めることが予想されています。



シリコンフォトニクスの光学センサー(光學感測器)とバイオメディカル(生物醫學)分野での応用


シリコンフォトニクス技術は通信技術においてだけでなく、他の応用分野にも急速に進出しています。光学センサーとバイオメディカルはその中でも人気のある応用分野です。


光学センサーの分野では、シリコンフォトニクス技術の高感度と高精度により、微小な光信号の変化を検出することができます。これにより、環境モニタリングやバイオメディカルイメージングなどの分野で広く応用されています。バイオメディカル分野では、シリコンフォトニクス技術の高解像度と非侵襲性により、人体組織や細胞構造の探査に重要なツールとなり、癌の診断や治療などの分野で革命的な突破口をもたらすことが期待されています。


今年（2024年）のCESショーでは、シリコンフォトニクスバイオセンサーが非常に注目されており、高感度バイオセンサーの開発にシリコンフォトニクスチップが使用されています。これにより、生体分子や細胞、体液中のマーカー分子を検出し、健康診断、病気の診断と監視に応用されています。また、シリコンフォトニクスチップは携帯型およびウェアラブルの健康監視デバイスの開発にも使用されており、心拍数、血圧、血中酸素濃度、体温などの生理パラメーターの監視に応用されています。今後は、より多くの生理対応信号の監視パラメーターを追加することで、病気の早期発見に役立つでしょう。将来的には、ネットワーク接続を通じて、医療専門家が遠隔でユーザーの健康状態を監視し、共有データを活用して健康診断を行うことができるようになります。


シリコンフォトニクスセンサーの人体温度感知への応用において、現在、台灣奈微光科技Taiwan Nano & Micro-Photonic Co.,Ltd.(N&M)は、Si-CMOSプロセスに基づくシリコンフォトニクスセンサーチップを発表しました。これにより、シリコンフォトニクス技術は光電変換と高速スペクトル信号処理などの機能を実現し、従来の化合物半導体に代わるものとなっています。過去のチップ4-in-1からモジュール4-in-1への進化により、製品はさらにコスト優位性と価格競争力を持つことになるでしょう。将来的に感知波長範囲が拡大し、人体ガス検知モジュールに応用されることで、肺癌、喘息、消化器系の問題などを早期に発見することに役立つと考えられます。


シリコンフォトニクスの量子計算と量子通信への応用


シリコンフォトニクス技術が量子計算にどのように応用されるかも、現在非常に注目されている課題です。シリコンフォトニクス技術は量子ビットの操作と制御を実現できます。量子ビット（量子位元）は量子計算の基本単位であり、量子重ね合わせ(量子疊加)や量子もつれ(量子糾纏)など、顕著な量子特性を持ちます。シリコンフォトニクス技術の高度な統合性と安定性は、量子ビットを実現するための理想的なプラットフォームの一つです。そのため、シリコンフォトニクスチップ内の光子を使用して量子ビットを実現することで、量子計算システムの複雑さとコストを効果的に削減し、より大規模な量子計算を実現できます。


量子通信の分野でも、シリコンフォトニクス技術は重要な役割を果たしています。量子通信とは、量子力学の原理を利用して安全な通信を実現することであり、例えば量子暗号の量子鍵配送などが含まれます。シリコンフォトニクス技術は、量子通信システムにおける光子の伝送と検出を実現できます。その高性能と低損失の特性により、効率的で安全な量子通信ネットワークを構築するための重要な技術の一つとなっています。さらに、シリコンフォトニクス技術は量子もつれの生成と検出も可能にし、これは量子通信における重要なステップの一つであり、通信システムの安全性と効率を向上させるのに役立ちます。


全体として、シリコンフォトニクス技術の量子計算と量子通信分野への応用は、これらの量子技術の発展を促進し、より高速で安全な計算および通信システムを実現するための新たな可能性を創造します。


シリコンフォトニクス技術の無限の可能性 台湾のチャンスはどこにあるのか？


PIDAは、国際大手企業が最近シリコンフォトニクス技術に多大な研究開発リソースを投入していることを観察しています。台湾もこの技術競争に参加し、企業は光チップ内で信号を伝達する技術(光晶片中傳遞訊號的技術)に積極的に取り組み、成長し続けるAI計算需要のビジネスチャンスをつかむ必要があります。今後、シリコンフォトニクス技術の進歩と革新が進むことで、太陽エネルギー変換や光触媒などの新たな発見や応用が期待されます。未来のシリコンフォトニクス技術は、より高速でスマートかつ省エネルギーな技術発展をもたらし、非常に大きな可能性を持つ解決策を提供するでしょう。


現在、国内ではすでに多くの学術機関がシリコンフォトニクスナノ、液晶シリコンフォトニクス、異質統合シリコンフォトニックチップなどの研究開発プロジェクトを立ち上げています。しかし、他の半導体技術と比べると、シリコンフォトニクス分野への投資はまだ始まったばかりです。産学官の各機関はさらに多くのリソースを投入し、国内のシリコンフォトニクス産業チェーンの形成を促進すべきです。政府は産業政策の計画において、シリコンフォトニクス技術の産業化と国際供給チェーンへの参入を加速させることを最優先課題とすべきです。シリコンフォトニクス技術が半導体技術に続き、台湾が世界の主要な供給チェーンの一部となることを目指します。

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