シリコンフォトニクス【silicon photonics】

シリコンフォトニクスとは？

半導体素材として広く普及しているシリコン基板上に光回路を形成し、光信号の生成・伝送・制御を行う技術。電気と光の回路を一つのチップ上に統合することで、情報処理の小型化・高速化・省電力化を同時に実現することを目指す。

従来の電子回路は電気信号を金属配線で伝送するが、配線が長くなるほど抵抗や発熱が増し、速度の向上に限界が生じる。シリコンフォトニクスはチップ内の回路や素子の間の通信を電気から光に置き換えることでこの壁を超えようとする。光信号は導波路内を伝搬するため相互の干渉が少なく、同一の帯域に複数の波長を束ねて同時伝送する波長分割多重（WDM）技術と組み合わせることで、少ない電力で大容量のデータを高速に転送できる。

製造面では、既存の半導体製造ライン（CMOSプロセス）をそのまま転用できる利点がある。シリコン層に光導波路・変調器・受光素子といった光学部品を微細加工技術で作り込めるため、かつては高価で大型だった光通信機器を低コストで大量生産し、チップサイズにまで小型化することが可能になった。電気信号は変調器で光の強度や位相に変換され、受光素子で再び電気信号に戻される仕組みで、電子回路と光回路が同一基板上に共存する。

技術的な課題として、シリコン単体は発光効率が低く、光源となるレーザーをシリコン上で直接生成できない点が挙げられる。このため、現在はインジウムリン（InP）などの化合物半導体で作られた外部光源を貼り合わせる方式が主流である。シリコン上で直接発光できる素子の実現は、研究上の重要な目標の一つとなっている。

主な用途はデータセンター内のネットワーク機器である。サーバ間をつなぐ光トランシーバや光スイッチへの導入が進んでおり、米インテル（Intel）や米IBM社をはじめ多くの企業が製品化に取り組んでいる。AIの普及によるデータセンターの電力消費増大が社会的な課題となる中、省エネルギー化の手段としての期待も高まっている。自動運転向けの測距センサーや、光を演算に用いる光コンピュータ、光子の量子状態を利用する光量子コンピュータへの応用も視野に入れた研究が続いている。