フォトニック集積回路とは

フォトニック集積回路（PIC）は、平面光波回路（PLC）または集積光回路とも呼ばれ、2つ以上の光学コンポーネントを接続して構成されたマイクロチップであり、光を生成・伝送・変調・計測する回路を形成します。電子集積回路が電子を使うのに対し、PICは光子を使用します。PICに関する情報は、可視光または近赤外の波長を持つ光の光学信号として生成・変調・計測されます。

PICの製造技術や内部コンポーネント設計の進歩により、フォトニックデバイスの応用範囲は通信分野を超え、バイオメディカル機器、信号処理、量子コンピューティング、各種センサーへと広がっています。設計・シミュレーション・製造技術の進化により、チップの小型化、集積度、処理速度と精度は日々進化しています。 

電子集積回路（IC）が主にシリコンを材料とするのに対し、フォトニックチップは一般に、シリコンナイトライド（SiN）、ニオブ酸リチウム、ガリウムヒ素（GaAs）、リン化インジウム（InP）などの電気光学結晶の組み合わせで作られています。シリコンベースの光学コンポーネントは、CMOS（相補型金属酸化膜半導体）標準プロセスを用いて製造することが可能であり、これは一般にシリコンフォトニクス（SiPh）と呼ばれ、シリコン・オン・インシュレーター（SOI）材料を用いて作られます。 

PICを構成する回路は、デバイスが求められる機能によって大きく異なります。エンジニアは、回路内を伝搬する光信号を変調・測定するために、フォトニックコンポーネントを配置します。単一チップ上でのフォトニック統合により、小型かつ省電力でありながら高性能なソリューションが実現します。PICの価値は、1つのチップ内に搭載される機能数の増加とともに高まり、それに伴って回路の複雑性やコンポーネントの密度も増していきます。 

各コンポーネントは、光源、信号キャリア（伝送路）、増幅器、変調器、検出器のいずれかに分類されます。また、コンポーネントはパッシブコンポーネントとアクティブコンポーネントとしても分類されます。パッシブコンポーネントは電気的な入出力を持たず、アクティブコンポーネントは、光子の変調や検出を行うために電気的な入出力を備えています。多くの高度なコンポーネントは、より単純なコンポーネントを組み合わせることで構成されています。 

フォトニックI/Oコンポーネント

光をPIC内に取り込み、回路へ導入する方法には、いくつかのアプローチがあります。グレーティングカプラは、光をチップに対して垂直方向から導入するために使用されます。グレーティングカプラは、回折格子に似た周期構造で構成されており、この構造がフォトニックチップ上にエッチングされています。高精度なアライメントを必要とせず、チップに対してさまざまな角度から光を導入できるのが特長です。光ファイバーケーブルをチップに直接接続し、波路に光を直接挿入する方法もあります。この方法では通常、チップの端面を通じて、あるいはダイレクトカプラを用いて光を導入します。このアプローチでは、高精度なアライメントと、光源とPICとの強固な接合が必要とされます。

レーザー

レーザー光源は、アクティブコンポーネントとしてPICに組み込むことができます。リン化インジウム（InP）ベースのPICでは、レーザーダイオードの形でレーザーコンポーネントをフォトニック回路に組み込むことが可能です。 

導波管

波導管は、フォトニック回路内の各コンポーネントを接続する接続経路として機能します。波導管は、シグナルをネットワーク内で伝送する低損失コンポーネントです。波導管の形状には、平面型、突起型、スロット型などがあります。波導管は、広い波長帯域にわたってシグナルを伝送可能です。

位相変調器／位相シフター

フォトニック回路でよく用いられる機能の一つが、シグナルの位相を変調またはシフトすることです。これは、電気信号を用いてコンポーネント材料の屈折率を変化させることで実現されます。シリコンでの変調は、主にプラズマ分散効果によって行われます。これは、電気的入力により自由キャリアの密度が変化し、それに伴って屈折率が変化し光が変調される現象です。 

カプラおよびスプリッタ

フォトニック回路において、複数の入力波導からのシグナルを1つに合成する際にはカプラが用いられます。また、多重化された信号を波長などに応じて複数の波導へ分離するにはスプリッタが使用されます。

多重化されたシグナルを分離する代表的な例のひとつが、アレイ導波路回折格子（AWG）デバイスです。このデバイスは、異なる長さの導波路を配列状に配置した格子構造を利用し、波長分割多重用の多重分離器として機能します。これにより、入力された多重化シグナルを各波長ごとに分離することが可能になります。

フィルタ

マッハ・ツェンダー干渉計やマイクロリング共振器といった干渉計構造は、特定の波長を通過させたり遮断したりするために使用されます。フィルタは、バンドパスフィルタやノッチフィルタとして分類されます。 

光増幅器

PIC（フォトニック集積回路）で一般的に求められる機能のひとつが、シグナルの波形を変えずに増幅することです。これを実現するために、電気光学型や純粋な光学型など、さまざまな種類の増幅器コンポーネントが用いられ、光の振幅を高めます。 

光検出器

回路設計のある段階では、PIC内で伝送・変調されたシグナルを測定する必要があります。光検出器は、光電効果に基づいて光子のエネルギーを電気シグナルに変換します。  

フォトニック集積回路は、電子集積回路と同様の利点を備えています。複数のフォトニックコンポーネントを単一チップ上に統合できるため、小型化、効率性、性能向上を実現しつつ、コスト削減と量産化を可能にします。特に重要な利点として、以下が挙げられます。

• 消費電力の低減：フォトニック回路は、本質的に電子回路よりも高効率です。電子回路では抵抗によって多くの熱が発生し、シグナル強度の損失も大きくなりますが、PICではそのような損失が少なく抑えられます。 
• コスト削減：PICは、標準的な半導体製造技術を使用した量産によるコストのメリットを活用できます。これには、ファウンドリの共有リソースも含まれます。 
• サイズの小型化：個別のフォトニック技術と比較して、PICはフォトニックデバイスのかなり小さなフットプリントを提供します。これにより、データ通信機器のコストと占有面積を削減するという利点があります。PICをセンサーとして使用することで、非常に小型のデバイスが作成でき、機器に簡単に組み込んだり、ウェアラブルデバイスに埋め込んだりすることができます。 
• 統合：フォトニック集積回路をシリコンベースのマイクロエレクトロニクスと組み合わせることができる点は、フォトニック集積回路の最も魅力的な利点の一つです。電子回路とフォトニック回路は、同じモノリシックマイクロチップ内で組み合わせることも、高度な半導体パッケージング技術を使用して高度な光電子パッケージ内で接続することもできます。 
• 信頼性: 個別のフォトニック技術と比較して、コンポーネントを単一のチップに統合することで、潜在的な故障が減少または完全に排除されます。さらに、半導体製造の精度により、材料や寸法のばらつきをコントロールすることができます。 

エンジニアは、フォトニック集積回路（PIC）の新しい用途を絶えず開発しています。光としてデータを生成、変調、読み取る能力と、その小型化により、通信、コンピューティング、センシング、データ処理をはじめとするさまざまな業界で理想的なソリューションを提供します。 

最も一般的な用途には、以下のようなものがあります。

光通信

PICの最も一般的な用途は、さまざまな種類の通信です。PICベースのトランシーバは、データセンター、携帯電話の基地局、さらには複数の車両のコンピュータを光通信技術（Li-FI）を通じて接続します。PICは、高速ファイバー光ネットワークを通じたデータ伝送のための増幅器や多重化器として、また、高性能コンピューティングでプロセッサを接続するためにも使用されます。 

LiDAR

LiDAR（Light Detection and Ranging）は、レーザー光のパルスを使用して物理的な物体の位置をマッピングするセンサー技術です。PICは、LiDARセンサーから送信される特定の光パルスを生成し、戻ってくるシグナルを正確に測定するために不可欠です。自動運転車の成長に伴い、LiDAR技術は大規模に導入されるようになりました。 

物理的な測定

PICを含む光センサー機器は、温度、化学組成、位置、速度、加速度、圧力、振動、表面仕上げを極めて高精度で測定することができます。一部のセンサーは物理的特性を測定するために光を使用し、他のセンサーは分光器と組み合わせたPICを使用します。 

ラボ・オン・チップ（Lab-on-a-chip）

光学コンポーネントをチップ上に統合することで、医療用センサーとして活用され、化学実験室を1つの小さなパッケージにミニチュア化することができます。このパッケージには、電子回路と光電子回路が統合されています。光は、患者からの流体サンプルを診療現場で測定するために使用され、サンプルを複数の診断機器を通してラボに送る必要がなくなります。 

量子コンピューティング

量子コンピューティングは、光子の量子挙動を利用しており、PICはこの急速に発展している技術の鍵となる技術です。フォトニック回路は、フォトニック量子状態を制御し、測定するために必要です。量子コンピュータ間の量子ネットワーキングや、デジタルコンピュータと接続するためにも使用されます。 

人工知能および機械学習（AI/ML）

フォトニック集積回路（PIC）は、AIの急速な成長においても重要な役割を果たしています。この分野における現在の主な用途は、コンピュータ内またはコンピュータ間の光通信です。特定のAIアルゴリズム、特にニューラルネットワークがPICに適していることも判明しています。また、AI/MLを活用して、AI/MLで使用するためのPICの設計も行っており、技術的な好循環を生み出しています。 

フォトニック集積回路は、設計において厳密で詳細なエンジニアリングが必要な複雑なデバイスです。光子の挙動、光子と材料との相互作用、そしてシグナルの周波数、強度、位相の変調には、複雑な物理学が関わっています。そのため、シミュレーションはフォトニック回路設計に最適なツールとなり、設計の性能や堅牢性を最適化するのに役立ちます。 

エンジニアは、Ansys Lumerical INTERCONNECTのようなツールを使用して、回路レベルのシミュレーションを開始することができます。従来型および量子型のフォトニック集積回路をコンポーネントとしてレイアウトし、入力信号でシミュレーションを実行して、モデル内の任意のポイントでシグナルを確認することができます。INTERCONNECTは、主要なファウンドリが提供するデバイスライブラリと互換性があります。また、主要な電子設計自動化（EDA）ツールやワークフローとも連携でき、そのパラメトリック特性により統計的な研究が簡単に行えます。

回路内の各コンポーネントは、Ansys Lumerical FDTDやAnsys Lumerical MODEのようなツールを使用してシミュレーションおよび最適化することができます。‌ Ansys Lumerical FDTDは、コンポーネントのフォトニクスを3Dオブジェクトとして正確にモデル化する電磁界解析ソルバーです。Ansys Lumerical MODEは、波導やカプラの詳細な挙動を確認するために使用されます。設計が確定した後、結果は業界標準の形式でコンパクトなモデルに変換され、INTERCONNECTのようなシステムツールで使用することができます。 

エンジニアは、熱や電荷輸送がフォトニックコンポーネントに与える影響を考慮する必要もあります。Ansys Lumerical Multiphysicsのようなツールを使用して、温度や電荷分布の変化が構造内で材料の屈折率を変化させ、それによってフォトニック性能に与える影響を測定することができます。

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