シリコンフォトニクスとは？光通信を革新する集積技術の仕組みと応用を解説

シリコンフォトニクスの基礎から、光通信・データセンターでの応用、設計上の課題まで詳しく解説。次世代の光電融合技術の最前線もご紹介します。

INDEX

TOPIC 1現代インフラの心臓 – シリコンフォトニクス

DX化により様々なものがデジタル化される昨今、AIの普及やクラウドコンピューティングの発展により、ネットワークの利用負荷が急速に高まり続けており、世界中を駆け巡るデータ通信の量は年々増大しています。特にデータセンター内ではサーバー間の高速通信が膨大な電力を消費してしまうため、高速と低消費電力を両立できる伝送技術の実現が重要な課題となっています。
こうした背景のもと、半導体物質Si(シリコン)を集積回路に取り込んだシリコンフォトニクス（Silicon Photonics）が誕生しました。シリコンフォトニクスは既存の半導体製造プロセスを利用でき、光伝送にも活かせる半導体の特性によって、低コストかつ高速な通信を実現できる効率的な技術として注目され、誕生から今日に至るまで進化し続けています。

シリコンフォトニクスは、シリコン基板上に光導波路・光変調器・フォトディテクタなどの光学素子を集積することで、電気信号を光信号に変換し、高速に伝送・処理を行う技術です。電流が流れる電気回路ではなく、光が伝搬していく光回路を形成します。
従来の光通信では、光部品（レーザ、変調器、検出器など）がそれぞれ独立して存在していたので、パッケージのサイズが大きくなってしまうのは避けられませんでした。これに対し、シリコンフォトニクスはこれらの要素を1枚のチップ上に統合できる点が特徴です。物理的にスペースを取ることがなく、電気信号の伝送距離が短くなることで通信速度向上に貢献します。

TOPIC 2注目の理由 - シリコンの強みと活用分野

誕生の経緯

シリコンフォトニクスはゼロから生まれたのではなく、既存技術の応用から生まれました。光通信の世界では、元々InP（インジウムリン）やGaAs（ガリウムヒ素）などの化合物半導体が主流でした。そこに新たに「電子部品開発で誕生したCMOS技術で培ったシリコンの特性や製造設備を通信分野に応用できないか」という発想が生まれ、シリコンフォトニクス技術がスタートしました。既存技術を流用でき、比較的コストのかからない材料であるシリコンは、今では光通信のみならず、様々な光を利用したアプリケーションで活用されています。

なぜシリコンなのか

半導体物質は様々ありますが、その中でもシリコンが選定されたのには理由があります。前述の通り従来のCMOS技術でも扱われており発展が容易だったことに加え、以下のようなメリットにスポットが当たったことが、シリコンフォトニクスの研究促進につながりました。

・ 環境に優しくて低コスト

従来の部品は発光素子に希少な物質であるレアメタルを使用していたため、高コストかつ採掘による環境破壊が避けられませんでした。しかし、シリコンの取得は非常に容易で、珪石を構成するSiO₂(二酸化ケイ素)から取り出せます。珪石は地殻中に豊富に存在し、資源的に枯渇リスクが低い材料です。製造設備も既存プロセスを流用できるため、新たな生産ラインを構築する必要がなく、材料消費・エネルギー使用・廃棄物の増加を抑えられます。大量のデータ処理に伴う電力増大が問題化する中、シリコンフォトニクスは低消費電力化に寄与する技術として、SDGs（特にエネルギー効率や環境負荷低減）の観点からも注目されています。

・ シリコンの光学特性

シリコンの屈折率(約3.48)とSiO₂の屈折率(約1.45)という大きな屈折率差の組み合わせにより、光を導波路内に強く閉じ込められ、微細で曲がりくねった光回路を高密度に実装できます。これにより、光導波路において光の損失が低い、つまり情報を効率よく伝送する光回路を極小サイズで実現できます。

シリコンフォトニクスの主な活用分野

データセンター内の光インターコネクト

情報を持ったデータの送受信は、光信号と電気信号の変換で成り立っています。サーバー間・ラック間の通信において、電気信号への依存を減らし光信号に寄せることで、省電力化と高速化を実現します。

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LiDAR（Light Detection and Ranging）

自動運転向け3Dセンシングや自律制御ロボットなどで搭載されるLiDARの構成部品(レーザー光源、レンズ、ミラー、ディテクタ)は、本来ひとつひとつがサイズを要し、そのままの利用は現実的ではありません。そこでシリコン導波路を採用することで駆動部品が必要なくなるなどして、送受信回路の小型化が実現できています。

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光コンピューティング

これから先の未来において、情報データ量はさらに増加の一途をたどります。現代技術の電気回路内の電気信号伝送では、速度も量も対処しきれないことが懸念されています。そこで、電気信号を介さず光のみで情報をやりとりする技術が目下開発中です（光電融合）。ここでも情報=光の通り道としてシリコンフォトニクスが不可欠です。

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TOPIC 3図で見るシリコンフォトニクスの仕組み

上図はシリコンフォトニクス構造のイメージ図です。シリコンウエハ上に各種デバイスが配置されており、レーザー光源から発せられた光が光導波路内を通過してファイバへ向けて送信されます。受信側も同様にファイバを介して光導波路内に入射して光検出器で検知します。この一連の流れの中で、情報伝達のために光の変換を数か所で行っています。

・ シリコンウエハ

シリコンフォトニクスの基板であるウエハもシリコンでできています。この基板上に光回路や各種デバイスを乗せています。元々IC(集積回路)の基板としても半導体は使われており、この技術はシリコンフォトニクスでも活かされています。

・ レーザー光源

レーザー光を発する光源で、通信する情報を保持するための光を生成し、シリコンウエハの外部から光導波路内へ結合します。シリコンは光を効率よく出せないため、通常InP(インジウムリン)などの、III-V族化合物半導体を用いたレーザーを使用し、シリコンチップ上の光導波路へ光を結合させます。レーザー光源は熱の影響を受けやすいので、熱を発する電子回路から遠ざけるためにシリコンウエハの外部に配置されるのがこれまでの主流でしたが、シリコンウエハ上に載せる技術も普及し始めています。

・ 光導波路

シリコンフォトニクス構造において光が伝搬する回路です。シリコン層とSiO₂層からなる高屈折率差の材質でできており、光はこの中で全反射を繰り返しながら伝搬します。

・ 変調器

光導波路を電極で挟み電気信号を入力することで、シリコンが持つキャリアプラズマ分散効果を利用し、光導波路の屈折率を変化させます。これにより光の位相を変調し、光が送る情報をコントロールします。代表的なデバイスとして、マッハツェンダ変調器やリング変調器があります。

・ 光検出器

伝搬してきた光信号を吸収し、電気信号に変換して情報を受け取る受光器です。シリコンは通信波長の光を透過してしまうため、シリコン上によく馴染み、かつ光を効率よく吸収できるGe(ゲルマニウム)を成長させて形成します。

・ グレーティングカプラ

光導波路内を平行に伝搬する光とデバイス外にあるファイバを繋ぐための回折構造です。回折構造を通過した光は垂直方向へ曲げられ、マイクロレンズを通してファイバへと結合します。

これらのデバイスがシリコンフォトニクスチップ上で密に配置され、光信号と電気信号が相互に変換されながら処理を行うことで、高速通信が可能になります。

TOPIC 4設計課題と対策 - 損失・温度影響・結合効率・小型化

光の損失：導波路表面の粗さや構造の不整合による伝搬効率の低下

製造工程における表面精度を高めるとともに、全反射が起こりやすく損失の少ない導波路形状へ最適化することで、この問題を低減できます。

温度依存：温度によりシリコンの屈折率が変化して光路長が変化

デバイスに生じる熱分布を解析し、その結果に応じて電圧をチューニングすることで、温度による屈折率変化の影響を補償できます。

ファイバへの結合効率の低下：ファイバ接続部でのモード不整合により光の送受信で損失が発生

テーパ構造や回折構造を適用し、さらにマイクロレンズ形状とファイバ位置を最適化することで、結合損失を抑えることができます。

ナノスケール解析：電気の介在を減らし、さらに光に比重を置いた小型化

電気と光を同時に扱うマルチフィジックスシミュレーションを用いることで、ナノスケールでの挙動を高精度に把握し、小型化に求められる光優位の設計を可能にできます。

TOPIC 5シリコンフォトニクス設計を加速するCAEツールと解析事例

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フォトニクスで市場をリードするための“設計手法の転換”

シリコンフォトニクスでは、導波路形状や結合構造、温度揺らぎなどナノスケールの差が歩留まりに直結します。だからこそ、シミュレーションを設計の中核に据えた開発手法へ転換することが、開発スピードと性能保証を同時に引き上げる近道になります。

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