シリコンフォトニクスとは

シリコンフォトニクス（SiPh）は、光通信、高速データ転送、フォトニックセンシングデバイスのための光集積回路（PIC）を構築するためのプラットフォームです。半導体基板の材料は、SOI（Silicon-On-Insulator）ウェハです。標準的な半導体製造プロセスを使用して、赤外線に対して透明なシリコン（Si）からフォトニック層上にコンポーネントを形成します。屈折率の差を大きくするために、シリコンの周囲に二酸化ケイ素（SiO₂）または空気を充填することで、コンポーネント内に侵入してくる光がほぼ損失なく回路内を通過できるようになります。

オンチップ光集積回路は、非常にコンパクトで消費電力が少なく、従来のフォトニクスデバイスよりも高速で動作し（100Gb/s以上）、電気回路よりも高速かつ効率的に情報を伝達します。これらの利点と、標準的な相補型金属酸化膜半導体（CMOS）製造技術を使用できるため、シリコンフォトニクスを活用したチップが急速に増加しています。

1980年代半ば、光子用に設計された回路を、電子用に設計された回路と同じチップ上に配置することが考案されました。フォトニック回路は、光の放出、変調、切り替え、増幅、検出が可能です。2005年にシリコン変調器が開発されるまでは、モノリシックな光電子集積シリコンチップは珍しく、2005年以降新しい製造プロセスで可能となった線幅は、フォトニック回路に必要な導波路を開発するのに十分なほど薄くなりました。

電子チップがボールグリッドアレイやワイヤで外部回路に接続されるように、光ファイバーを介して、光がフォトニックチップに送受信されます。これらの光インターコネクトは周波数が高く、帯域幅も広いため、電気インターコネクトよりも高速で多くのデータを転送できます。

さらに、光を生成するために回路にレーザーが追加され、光子のエネルギー、周波数、その他の特性を測定する光検出器が受信機回路内に追加されます。従来の集積回路技術を使用して、各デバイスに電気が供給され、デバイスから電気が抽出されます。光信号を電気信号に変換するエレクトロニクスは、同じチップ上または別のエレクトロニクスに搭載できます。これらの検出器やエミッターをオンチップデバイスと組み合わせて、光の変調（測定可能な特性の変更）、切り替え、増幅を行い、光通信の重要な機能を実行し、高速データ転送を容易にして、ミクロスケールまたはマクロスケールで物理特性を測定します。

以下に、一般的に使用されるフォトニクスコンポーネントを示します。

1. 導波路: 光子の移動経路となるフォトニック回路内のワイヤ。導波路の断面、表面粗さ、および曲げ半径は、導波路内を移動する光に大きな影響を与えます。
2. 光変調器: 光線の位相、振幅、偏光、間隔、回折特性を変更して情報をビームにエンコードするコンポーネント。
3. 光源: 回路内で光を生成する各種の半導体レーザー。レーザーはシリコンベースではなく、III-V族化合物半導体を使用します。レーザーは外付け、または光集積回路と同じチップに内蔵することができます。
4. 受信機: 光子を吸収し、光にエンコードされた情報を電気信号に変換する光検出器。
5. 光スイッチ: 温度、他の光源との相互作用、マイクロキャビテーションを用いて光を誘導するデバイス。光スイッチは、機械式スイッチ、微小電気機械式（MEMS）スイッチ、電気スイッチよりもはるかに高速です。
6. フィルタ: 光のさまざまな物理特性を使用して目的の周波数範囲で光を通過させる各種のコンポーネント。周波数は、パッシブフィルタではジオメトリ、アクティブフィルタでは電気的入力で設定します。
7. カプラ: 光信号を分割または結合するデバイス。

シリコンフォトニクスが高性能になったことで、パッケージ内の通信および電気インターコネクトや、さまざまなコンピュータコンポーネント間での電気的または電気機械的スイッチングに取って代わるテクノロジーとなりました。また、LiDARなどの光学センサーを制御するためにも採用されています。このテクノロジーは、光ファイバー用のシングルチップトランシーバや、フォトニクスの方が優れた性能を発揮する複雑な信号処理アプリケーションなど、これまでの電子システムにフォトニクスを導入することで従来のソリューションを強化できます。

情報の伝達に光を使用する方法は、電子、電波、またはマイクロ波を利用するよりも大きな利点があります。高い周波数と複数のモダリティ（周波数、振幅、位相など）を特長とする光を使用することで、少ない消費電力でより多くの情報を送信できます。こうした利点は、フォトニクスデバイスが、その動作に必要なエレクトロニクスと同じチップに組み込まれている場合にはさらに増加するため、低コストの量産製造プロセスを導入できるようになります。

このテクノロジーを採用することで、光学部品と電気回路を同じチップ上に組み込めるため、光電子デバイスは、光学と電気の個別ソリューションよりも小さなフォームファクターでパッケージ化できます。シリコンフォトニクスデバイスは、サイズが微小であり、光は導波路をほぼ損失なしに通過するため、電気デバイスや単独の光学素子よりも消費エネルギーが少なくなります。

シリコンフォトニクスの最大の利点は、既存のCMOS製造システムを活用できることです。世界中の半導体メーカーは、年間に1兆個を超える各種のチップを製造しています。企業は、シリコンフォトニクステクノロジー用の半導体ハードウェアの設計、製造、パッケージ化、およびテストに使用されるツールを活用しています。多くの半導体ファウンドリでは、フォトニクス集積設計のための標準を確立しており、より迅速かつ低コストで、よりロバストな新製品を開発できるようになっています。

現在、シリコンフォトニクスエコシステムでは最先端の製造技術を利用できるようになっていますが、このテクノロジーをさらに活用するためにはまだ多くの課題も残っています。基本的な物理現象に起因する課題もあれば、製造上の制限によって生じる課題もあります。企業や大学は、こうした問題を理解して解決するための基礎的かつ実践的な研究を行っています。

SOIウェハを使用することで製造は容易になりますが、シリコンは使用する光の周波数を制限するため、レーザーなどの必要な部品を製造するためにシリコンを利用できません。そのため、窒化ケイ素（SiN）やリン化インジウム（InP）などの新しい材料を用いて波長範囲を広げる方法が研究されています。また、別の研究では、ガリウムヒ素（GaAs）などのIII-V族材料を製造ワークフローに組み込んで、オンチップ光源を製造する方法に注目しています。

フォトニック回路のエネルギー損失も、設計上の課題です。光導波路の曲げ半径のような単純な問題であっても、損失をコンパクトさとのトレードオフとして考慮しなければなりません。同様に、使用する光変調器やフィルタの種類を決定することも簡単ではありません。センシングのためにシリコンフォトニクスを適用する際には、感度と小型化の限界という問題を解決する必要があります。

他の代替品よりは安価であるものの、SiPhを活用したデバイスは、大量導入には依然として高すぎます。現在、このテクノロジーを採用して数百万ものチップが製造されています。フォトニクスコンポーネントのコストを削減し、データセンターや通信ネットワークなどで広く採用されるためには、年間数十億個のチップにまで拡張される必要があります。

さらに、光学システムのニーズと、光電子機器のエレクトロニクスの要件でバランスをとる必要があります。同一チップにエレクトロニクスを実装した場合、製造アプローチでは、信号処理タイプごとのニーズでバランスをとる必要があります。また、個別のエレクトロニクスを使用する場合は、フォトニクスコンポーネントとエレクトロニクスコンポーネントを接続するために用いられる先端半導体パッケージング技術が一般的に採用されます。どちらのアプローチでも、エレクトロニクスによって生成される熱がフォトニクスに影響を及ぼします。

シリコンフォトニクスを導入して開発された光学ソリューションは、比較的低コストながら、コンパクトでエネルギー効率が高く、低遅延であるため、今後も幅広い分野に適用されることでしょう。中でも最も一般的なのは、光ファイバーを介した高速データ転送です。Intel社をはじめ、さまざまな企業では、光トランシーバチップの機能を向上させ、幅広い用途で利用できるようにすることを目指しています。チップの多くは、コンピュータをネットワーク化する光ルータや信号プロセッサで使用されています。

ノード間の光通信と特定ノード内の光インターコネクトは、人工知能、ビットコインマイニング、デジタルツインなどの高性能アプリケーションの計算速度を大幅に向上させることができます。プロセッサの計算速度が向上すると、データ転送の帯域幅がボトルネックとなりますが、これはシリコンフォトニクスで緩和できます。

フォトニックコンポーネントにSiPhテクノロジーを活用している新しい適用としては、次のものがあります。

• フォトニックセンサー: SiPhセンサーは、光が試料を通過するときに生じる屈折率の小さな変化を測定できます。こうした変化を測定することで、生物学的試料や環境試料中の特定のバイオマーカーを特定できます。
• LiDAR: 光検出および測距（LiDAR）装置は、光のパルスを送信し、戻り時間を測定します。シリコンフォトニクスを活用したLiDARソリューションは、個別コンポーネントで構成されたシステムよりもコンパクトで消費電力が少なく、製造コストも低くなります。
• 量子コンピューティングとネットワーキング: 量子コンピュータは、光子を使用して計算を実行します。量子コンピュータ内部や量子コンピュータ間で光を制御する上で、速度と精度に優れ、低コストである光集積回路の恩恵を受けます。

1980年代に登場して以来、シリコンフォトニクスベースのコンポーネントの役割は、光ファイバー通信の基本機能をサポートすることから大きく進歩しています。この間、シリコンフォトニクスを活用できる分野が広がり、現在はコンピューティングに加えて光学センサーでの採用も増えています。メーカーは、ファブレス企業にファウンドリを提供することで、より幅広い分野でこのテクノロジーの採用を促しています。製造能力の向上と適用分野の増加に伴い、設計およびシミュレーションツールが改善され、より複雑で効率的な設計をサポートできるようになりました。

電子集積回路や光集積回路を含む次世代のモノリシックデバイスは、シリコンをはじめ、さまざまな材料をデバイスに採用できるようにハイブリッド製造手法を活用することになるでしょう。また、より正確な製造方法、より小さなフィーチャーサイズ、先端半導体パッケージング技術などの活用も増えるでしょう。こうした変化により、データ通信およびハイパフォーマンスコンピューティングアプリケーションにおけるデータ転送の帯域幅と速度が向上し、光学センシングテクノロジーが大きく変化することが予想されます。

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