シリコンフォトニクス技術とは何か？-エレクトロニクスとフォトニクスの融合-

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發布日期： 2024-05-24

俗に言う「科学技術は人間性から生まれる」という言葉の通り、データセンターやネットワークシステムに対する爆発的な需要はこれを証明しています。データ量が増加するにつれて、伝送速度も速くなる必要があります。これには処理能力の向上、計算および伝送時の消費電力の低減が求められ、それによってコストが削減されます。これらの要求を満たすために、シリコンフォトニクス技術が注目されています。シリコンフォトニクスは、高速・大容量・低消費電力の光伝送を実現できるため、AI計算に光を導入することで、処理能力の向上と消費電力の低減を達成し、将来の有望な技術とされています。シリコンフォトニクスがどのようにこの目標を実現するのかというと、簡単に言えば、フォトニック回路を電子回路と統合することです。

シリコンフォトニクスとは何か？

シリコンフォトニクス(矽光子)とは、シリコン半導体製造技術を用いてシリコンウェハ上に大規模なフォトニック回路を構築する技術です。この技術は光の特性を利用して、高速・大容量・低消費(低功耗)電力のデータ伝送を実現します。社会活動のデジタル化(數位化)が進み、リモートワーク(遠距工作)が普及する中で、企業はますますサプライチェーンを相互接続し、情報処理は自動運転やエンターテイメントにとって非常に重要です。これにより、データセンター(資料中心)やネットワークシステム(網路系統)の需要が増加し、データ量の増加とともに消費電力も増加します。

しかし、データセンターやネットワークシステムで使用されている電子回路の性能は既に限界に達しており、さらなる改善は困難です。複数のデバイスを接続して処理能力を向上させるためには、デバイス間やデバイス内部の計算回路間、そして計算回路とメモリ間の処理能力を向上させ、消費電力を低減する必要があります。この要求は、現在の電線による伝送能力を超えています。

そこで近年、人々はデバイス間およびデバイス内部の計算回路に高速・大容量のデータ伝送を可能にするフォトニック回路を導入し、処理能力を向上させ、消費電力を低減することに力を注いでいます。しかし、従来のフォトニック回路は異なる材料の単独モジュールで構成されているため、集積回路のように小型化するのが難しく、単独モジュールは大量の電力を消費するため、コストが高くなります。シリコンフォトニクス技術はこの問題を解決する可能性があり、既存のシリコン半導体製造技術を基に、各種モジュールから成るフォトニック回路をコンパクトかつ低コストでシリコンウェハ上に統合することができます（図1参照）。

従来の光回路では、石英ガラスを光配線や光導波路として使用していましたが、現在では図2に示すように、より高い屈折率を持つシリコンを使用することで小型化が可能になっています。さらに、シリコンウェハは異なる材料で作られたモジュールを統合するために使用でき、広く使用されている高性能な半導体製造技術を用いて製造コストを削減することができます。シリコンフォトニクスは既存の半導体製造技術に基づいているため、電子工学とフォトニクスの融合が可能になります。

シリコンフォトニクスの商業化に向けて

シリコンフォトニクスの最も直接的であり、将来的に最大の応用市場はデータセンターになることが予想されます。シリコンフォトニクスはサーバーを接続するために使用され、従来の技術と比較して消費電力を大幅に削減することができます。世界中で大容量かつ超高速のデータ通信に対する需要が増加するにつれ、シリコンフォトニクス市場は拡大し続けると予想されます。今後数年間で、市場規模は数十億ドルから100億ドルに成長すると見込まれています。

将来的には、シリコンフォトニクスはLiDARやデータセンターだけでなく、医療や生物応用、モバイル通信などの他の分野にも展開されるでしょう。特に医療分野では、個人の健康を感知する製品がシリコンフォトニクス技術を最初に採用する見込みであり、市場も驚異的な成長を遂げるでしょう（図3参照）。

産業巨人がシリコンフォトニクス市場をリード

シリコンフォトニクスの商機を見越して、Intel、Cisco、富士通、およびII-VI（Coherent）などの企業が競って光モジュールメーカーを活用し、データセンターや次世代共封止光学部品（CPO）光トランシーバーを開発しています。例えば、光ネットワークフォーラム（OIF）の最新規格400G-ZRを採用し、400Gbps/120kmでデータセンターを相互接続しています。これにより、複数の光変調器を使用して多重化（DP-16QAM）を実現しています。短距離の速度が向上するにつれて、PCB内部の電線伝送が困難になり、LSI（例えばスイッチ）に近い信号の伝送に光ファイバーが使用され、同じパッケージ内で光電（OE）変換が行われます。このような状況下で、シリコンフォトニクスはOE/EO変換回路の小型化に寄与します。

以下は、シリコンフォトニクスをリードする企業の紹介です。

Intel

Intelはシリコンフォトニクス技術の先駆者の一つです。同社はデータセンター向けの100Gbps光トランシーバーを市場に投入しており、これはシリコンフォトニクス技術を用いて製造されています。Intelのシリコンフォトニクス製品は高いデータ伝送速度と低消費電力を提供し、データセンターの帯域幅とエネルギー効率の向上に寄与します。2023年までに800万セットのモジュールを出荷しています。

Cisco(思科)

Ciscoは先進的なネットワーク機器メーカーで、シリコンフォトニクス技術を利用した製品を開発しています。同社はデータセンターサーバー間の高速データ伝送を実現するための光学インターコネクト技術に注力しており、データセンターのパフォーマンス向上と運用コストの削減に貢献しています。CiscoはLuxteraを買収し、Luxteraは世界初のシリコンフォトニクス技術を採用した商用光トランシーバーを開発し、データセンターの高速通信を実現する重要な役割を果たしています。

Coherent

Coherent（II-VIによる買収後もCoherentの名称を使用）は、OFC 2024で次世代光通信ネットワーク向けの新製品と技術を展示しました。その中には、800G ZR/OpenZR+ QSFP-DD-DCO、450km光ファイバー経由の光ネットワーク、およびデータセンタールーターでの400Gおよび800Gの相互運用性テストが含まれています。

富士通

富士通はNTTのIOWNアライアンスに積極的に参加しており、「1FINITY」光伝送システムを提供しています。このシステムはIOWNのグローバルオープンAPNフォーラムの規格に準拠しており、世界クラスの大容量伝送（光波1.2 Tbps）および長距離伝送（800 Gbps）などの最適なソリューションを提供します。この光伝送装置は液体冷却技術を採用し、従来製品に比べてシステム全体の二酸化炭素排出量を60%削減します。

表1 矽光子廠商的光收發器產品比較

企業	製品	規格
Intel	400G DR4 QSFP-DD	- 400G 光トランシーバーは、IEEE 400GBASE-DR4光インターフェース標準および4つの100G Lambda MSA 100G FR光インターフェースに準拠。 - 400GbE / 4x100GbE 分岐用途向け規格、伝送距離最大2km。
Cisco（Luxteraを買収）	QSFP-100G-ZR4-S トランシーバー	- シスコは、シリコンフォトニックフォトニック集積回路（PIC）分野での豊富な経験を活かし、Accelinkと協力して1.6T OSFP-XD シリコンフォトニクトランシーバーを共同開発した。これにより、同社の革新レベルと技術能力が示されている。
Coherent	400G光トランシーバー	- 同社のVCSELレーザーモジュールは、各チャネルで200 Gbpsの光伝送を可能にし、将来の1.6Tbpsトランシーバーの動力源となる。 - I-Temp 100G ZR QSFP28-DCO モジュールは、業界初の100G ZR QSFP28デジタルコヒーレント光学（DCO）トランシーバーであり、高効率なシリコンフォトニック光学フロントエンドと電力最適化された可変レーザーを組み合わせている。 - 高出力の非冷却ポンプレーザーモジュールは、海底用途向けに最大1000 mWの出力を提供し、陸上用途向けには最大2x700 mWの出力を提供する。
Fujitsu	1FINITY T900/T950 光伝送システム	- 高ビットレート伝送および補償技術により、高OSNRと長距離伝送を実現する。 - 空間節約と低消費電力を実現し、液冷技術を採用している。 - 最大伝送容量は1.2Tbps/Lambda、14.4Tbps/ブレード。

資料來源：PIDA整理；2024/05

次なる市場の寵児はどこに？

シリコンフォトニクスの応用は光トランシーバーに限らず、自動運転に必要なLiDARの応用や、IOWNの光電融合技術、光ニューラルネットワークや光量子コンピュータなどにも及びます。

LiDARの応用

2021年初頭のCES 2021で、Intelは車載LiDARにおけるシリコンフォトニクスの応用を推進し、そのプロトタイプを公開しました。現在、その性能がどの程度LiDARとして機能するかは明確ではありませんが、2025年までに商業化することを目指しています。

現在の機械式回転LiDARと実用化が進む固体LiDARの主な違いは、FMCW（周波数変調連続波）方式を採用している点で、これはマイクロ波レーダーで使用される方式です。速度測定にはドップラーレーダーも使用できます。つまり、光源として波長可変のLD（例：温度変化に応じて波長をスキャンできるもの）を使用し、光がシリコンフォトニック分離器によって分離され、多くの平行なシリコン導波路に伝搬します。各導波路内の光の位相は導波路を加熱することで制御され、空間に放射される光の干渉を通じて水平スキャンを実行します。垂直方向の分岐はカプラによって実現され、このカプラは光波導にグレーティングを有しています。LDおよび制御回路もシリコンフォトニックパッケージに搭載されており、全体の部品は手のひらサイズです。従来型よりも高価ですが、天候や干渉に強いとされています。

IOWN（光電融合）の応用

2019年6月にNTTは、光技術を中心とした革新的な技術を利用して、高速・大容量通信および大量の計算資源を提供するネットワークおよび情報処理システム、IOWNコンセプトを発表しました。同年10月、NTT、Intel、SonyがIOWN Global Forumを設立し、多くの国内外企業が参加しています。この技術は、光電融合技術に基づく全光子ネットワークを構築することを目指しており、通信インフラ設備だけでなく、データセンターや端末も含めて、GAFAからネットワーク主導権を奪うことを狙っています。

光電融合とは、光と電気のそれぞれの利点を組み合わせ、同一のパッケージまたはチップ内に統合することです。これを実現するための画期的な技術として、InPフォトニックICを使用した極低消費電力の光論理回路が挙げられます。ただし、メモリの実現は光技術では困難であるため、電子技術（シリコン集積回路）に依存します。

ニューラルネットワーク(神經網路)の応用

論理回路は、シリコンフォトニック導波路の結合点で光干渉を利用して実現できます。2つの光が同相であれば相互に強化し、異相であれば相殺して総出力が0になります。温度などを利用してシリコン導波路内の光の位相を制御することで、デジタル論理回路を構築できます。シリコン集積回路の論理ゲートとは異なり、ゲート操作に遅延がなく、光が導波路内を伝搬する速度に基づいて計算が行われます。計算は上流から下流に流れる川のように繰り返し合流・分岐し、そのアーキテクチャはニューラルネットワークに似ています。

MITの学生であるYichen Shen氏は2017年にシリコンフォトニクスを使用してニューラルネットワークのプロトタイプを作成しました。これは、指向性結合器および位相器を使用して積和演算を実行する光学アクセラレータで、電子回路と組み合わせて音声認識デモを実施し、90%の正答率を達成しました。64ビットMPUの91.7%の正答率とほぼ同等です。Shen氏は2017年に新興企業Lightelligenceを設立し、3,600万ドルのベンチャーキャピタルを調達して事業を急速に拡大し、2019年に最初のプロトタイプを発表しました。2023年には、データセンターやその他の高性能アプリケーションの通信ネットワーク向けに、先進的な垂直積層パッケージ技術を採用した光子プロセッサHummingbirdを発表しました。

量子コンピュータの応用

シリコンフォトニクスを使用した量子コンピュータは既に実用化されています。カナダの新興企業Xanaduは、シリコンフォトニクス技術を使用した汎用量子コンピュータの開発のために1億ドル以上の資金を調達しました。第1世代（8量子ビット）はクラウドサービスとして提供が開始されています。GoogleやIBMが積極的に開発している超伝導型とは異なり、室温で動作することが大きな特徴です。Xanaduはベルギーの著名な研究機関IMECと協力し、300mmウェハ製造ラインでシリコンフォトニクスを大量生産し、100万量子ビットの実現に向けた開発を続けています。

本当にシリコンフォトニクスを理解していますか？

以上の説明で、読者の皆様にシリコンフォトニクスの概要をお伝えしましたが、これだけでシリコンフォトニクスを理解したことになるのでしょうか？もちろんそうではありません。しかし、私たちはこの普及活動を通じて産業に貢献できることを願っています。

そのため、光電協進会と国立台湾科技大学の異質統合シリコンフォトニックチップ研究開発センター（HiSiPIC）は、「国際シリコンフォトニクス異質統合連盟（HiSPA）」を共同で設立しました。この連盟は、台湾科技大学の異質統合シリコンフォトニックチップ研究開発センターが持つ、異なる大学の研究室チームの研究およびサービス能力の統合、そしてPIDAが長年培ってきた光電産業における人材育成、産学連携、異業種協力の推進経験を活かし、シリコンフォトニクスの異質統合産学協力プラットフォームとしてのサービス窓口を構築することを目指しています。今後、産官学研の各界が協力し、台湾におけるシリコンフォトニクスの未来を共に創り上げることを期待しています。