光集積回路

フォトニック集積回路( PIC ) または光集積回路は、機能回路を形成する 2 つ以上のフォトニックコンポーネントを含むマイクロチップです。このテクノロジは、光を検出、生成、転送、および処理します。フォトニック集積回路は、電子集積回路で使用される電子とは対照的に、光子(または光の粒子) を使用します。この 2 つの主な違いは、フォトニック集積回路は、通常、可視スペクトルまたは近赤外線(850～1650 nm) の光波長に課せられた情報信号の機能を提供することです。

フォトニック集積回路で最も商業的に利用されている材料プラットフォームの 1 つは、さまざまな光学的にアクティブおよびパッシブな機能を同じチップ上に統合できるインジウムリン(InP) です。フォトニック集積回路の初期の例は、ゲインセクションと DBR ミラーセクションの 2 つの独立して制御されるデバイスセクションで構成される単純な 2 セクション分布ブラッグ反射鏡(DBR) レーザーでした。したがって、現代のモノリシックチューナブルレーザー、広帯域チューナブルレーザー、外部変調レーザーと送信機、統合受信機などはすべて、フォトニック集積回路の例です。2012 年の時点で、デバイスは数百の機能を 1 つのチップに統合しています。^[1]この分野における先駆的な研究はベル研究所で行われました。InP フォトニック集積回路の最も著名な学術的研究センターは、米国カリフォルニア大学サンタバーバラ校、アイントホーフェン工科大学、オランダのトゥエンテ大学です。

2005 年の開発^{[2]では、シリコンは間接バンドギャップ材料であるにもかかわらず、ラマン非線形性を介して}レーザー光を生成するために使用できることが示されました。このようなレーザーは電気的に駆動されるのではなく、光学的に駆動されるため、さらに光ポンプレーザー光源が必要になります。

歴史

フォトニクスは、光子の検出、生成、操作に関する科学です。量子力学と、1905 年にアルバートアインシュタインが初めて提唱した波動粒子二重性の概念によれば、光は電磁波としても粒子としても機能します。たとえば、光ファイバー内の全反射により、光ファイバーは導波管として機能します。

電気部品を使用した集積回路は、 1940 年代後半から 1950 年代前半にかけて初めて開発されましたが、商業的に利用可能になったのは 1958 年になってからでした。1960 年代にレーザーとレーザーダイオードが発明されると、「フォトニクス」という用語は、以前は電子機器を使用して実現されていたアプリケーションを置き換える光のアプリケーションを表すために、より一般的に使用されるようになりました。

1980年代までに、フォトニクスは光ファイバー通信の役割を通じて注目を集めるようになりました。80年代初頭、デルフト工科大学の新しい研究グループのアシスタントであるマイン・スミットが、集積フォトニクスの分野で先駆的な研究を始めました。彼は、インターネットや電話の現代のデジタル接続のコアコンポーネントであるアレイ導波路回折格子（AWG）を発明したと言われています。スミットは、ERCアドバンストグラント、オプトエレクトロニクスのランク賞、LEOS技術功績賞など、いくつかの賞を受賞しています。^[3]

2022年10月、コペンハーゲンのデンマーク工科大学で行われた実験で、フォトニックチップが7.9キロメートルを超える光ファイバーケーブルを介して毎秒1.84ペタビットのデータ伝送に成功した。まず、データストリームは37のセクションに分割され、それぞれが光ファイバーケーブルの別々のコアに送信された。次に、これらのチャネルのそれぞれが、スペクトル全体にわたる等間隔の光スパイクに対応する223の部分に分割された。^[4]

電子統合との比較

シリコンが主要な材料である電子統合とは異なり、システム光集積回路は、ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶、シリコン上のシリカ、絶縁体上のシリコン、さまざまなポリマー、およびGaAsやInPなどの半導体レーザーの製造に使用される半導体材料など、さまざまな材料システムから製造されています。さまざまな材料システムが使用されるのは、統合される機能に応じてそれぞれ異なる利点と制限を提供するためです。たとえば、シリカ (二酸化ケイ素) ベースの PIC は、比較的損失が少なく熱感度が低いため、AWG (以下を参照) などのパッシブ光子回路に非常に望ましい特性を備えています。 GaAs または InP ベースの PIC では光源を直接統合でき、シリコン PIC ではフォトニクスとトランジスタベースの電子機器の共統合が可能です。^[5]

製造技術は、フォトリソグラフィーを使用してウェハをパターン化し、エッチングや材料の堆積を行う電子集積回路で使用される技術に似ています。トランジスタが主要なデバイスである電子機器とは異なり、単一の支配的なデバイスはありません。チップに必要なデバイスの範囲には、低損失相互接続導波路、パワースプリッター、光増幅器、光変調器、フィルター、レーザー、検出器が含まれます。これらのデバイスにはさまざまな材料と製造技術が必要であり、すべてを1つのチップで実現することは困難です。^[要出典]

共鳴光子干渉法を使用する新しい技術により、UV LED を光コンピューティング要件に使用できるようになり、コストが大幅に削減され、ペタヘルツの民生用電子機器への道が開かれています。^{[引用が必要]}

光集積回路の例

フォトニック集積回路の主な用途は光ファイバー通信の分野ですが、バイオメディカル^[6]やフォトニックコンピューティングなどの他の分野での応用も可能です。

波長分割多重(WDM)光ファイバー通信システムで光 (デ) マルチプレクサとして一般的に使用されているアレイ導波路格子 (AWG)は、複数の個別のフィルタ要素を使用する以前の多重化方式に代わる光集積回路の一例です。量子コンピューティングでは光モードを分離する必要があるため、この技術は量子コンピュータの小型化に役立つ可能性があります (線形光量子コンピューティングを参照)。

現在、光ファイバ通信システムで広く使用されているフォトニック集積チップのもう一つの例は、分散フィードバックレーザーダイオードと電気吸収変調器^[7]を単一のInPベースのチップ上に組み合わせた外部変調レーザー（EML）です。

アプリケーション

世界的なデータ消費量が増加し、より高速なネットワークの需要が高まり続ける中、世界はエネルギー危機と気候変動に対するより持続可能な解決策を見つける必要があります。同時に、自動運転車のLiDARなど、センサー技術の革新的なアプリケーションが市場に登場しています。^[8]技術的な課題に遅れずについていく必要があります。

5Gデータネットワークとデータセンターの拡張、より安全な自動運転車、より効率的な食料生産は、電子マイクロチップ技術だけでは持続的に対応できません。しかし、電気デバイスと統合フォトニクスを組み合わせることで、よりエネルギー効率の高い方法でデータネットワークの速度と容量を向上させ、コストを削減し、さまざまな業界でますます多様化するニーズに対応できるようになります。

データと通信

PICの主な用途は光ファイバー通信の分野です。波長分割多重（WDM）光ファイバー通信システムの光（デ）マルチプレクサとして一般的に使用されているアレイ導波路格子（AWG）は、フォトニック集積回路の一例です。 ^{[9]光ファイバー通信システムの別の例としては}、分布帰還型レーザーダイオードと電気吸収型変調器を組み合わせた外部変調レーザー（EML）があります。

PIC は、少数モード光平面導波路を展開することで、帯域幅とデータ転送速度を向上させることもできます。特に、モードを従来のシングルモード平面導波路から少数モード導波路に簡単に変換し、目的のモードを選択的に励起できる場合です。たとえば、双方向空間モードスライサーとコンバイナー^[10]を使用して、目的の高次モードまたは低次モードを実現できます。その動作原理は、V 字型および/または M 字型のグレーデッドインデックス平面導波路のカスケードステージに依存します。

PICは帯域幅とデータ転送速度を向上させるだけでなく、サーバーの冷却に多くのエネルギーを費やしているデータセンターのエネルギー消費を削減することもできます。 ^[11]

ヘルスケアと医療

高度なバイオセンサーを使用し、より手頃な価格の診断用バイオメディカル機器を作成することで、統合フォトニクスはラボオンチップ（LOC）技術への扉を開き、待ち時間を短縮し、診断を研究室から医師と患者の手に委ねます。超高感度フォトニックバイオセンサーをベースにしたSurfiX Diagnosticsの診断プラットフォームは、さまざまなポイントオブケアテストを提供します。^[12]同様に、Amazec Photonicsは、体内に温度センサーを注入することなく高解像度の温度感知（0.1ミリケルビンの単位）を可能にするフォトニックチップを使用した光ファイバーセンシング技術を開発しました。^[13]このようにして、医療専門家は体外から心拍出量と循環血液量の両方を測定できます。光センサー技術のもう1つの例は、EFIの「OptiGrip」デバイスで、低侵襲手術で組織の感触をより細かく制御できます。

自動車およびエンジニアリングアプリケーション

PICは、LiDAR（光検出と測距の略）などのセンサーシステムに適用して、車両の周囲を監視することができます。^{[14]また、WiFiに似ていますが光を使用する}Li-Fiを介して車内接続を展開することもできます。この技術は、車両と都市インフラ間の通信を容易にし、ドライバーの安全性を向上させます。たとえば、一部の最新の車両は交通標識を感知し、ドライバーに制限速度を思い出させます。

工学的には、光ファイバーセンサーは圧力、温度、振動、加速度、機械的歪みなどのさまざまな量を検出するために使用できます。^[15] PhotonFirstのセンシング技術は、統合フォトニクスを使用して、飛行機の形状変化、電気自動車のバッテリー温度、インフラストラクチャの歪みなどを測定します。

農業と食品

センサーは、農業や食品産業における技術革新において、廃棄を減らし病気を検出する役割を果たしています。^[16] PIC を搭載した光感知技術は、人間の目の範囲を超えた変数を測定できるため、食品サプライチェーンでは果物や植物の病気、成熟度、栄養素を検出できます。また、食品生産者が土壌の品質や植物の成長を判断したり、CO2 排出量を測定したりする_のに役立てることができます。MantiSpectra が開発した新しい小型近赤外線センサーは、スマートフォンに収まるほど小さく、牛乳やプラスチックなどの製品の化合物を分析するために使用できます。^[17]

製造方法と材料の種類

製造技術は電子集積回路で使用される技術に似ており、フォトリソグラフィーを使用してエッチングと材料の堆積用のウェーハをパターン化します。

最も汎用性が高いと考えられるプラットフォームは、インジウムリン (InP) とシリコンフォトニクス (SiPh) です。

リン化インジウム(InP) PIC は、アクティブなレーザー生成、増幅、制御、検出機能を備えています。そのため、通信やセンシングのアプリケーションに最適なコンポーネントです。
シリコン窒化物(SiN) PIC は、スペクトル範囲が広く、導波損失が極めて低いため、検出器、分光計、バイオセンサー、量子コンピューターに最適です。SiN で報告されている最も低い伝搬損失 (0.1 dB/cm ～ 0.1 dB/m) は、LioniX International の TriPleX 導波管によって達成されています。
シリコンフォトニクス(SiPh) PIC は、導波管などの受動部品の損失が低く、非常に小さな光子回路で使用できます。既存の電子製造と互換性があります。

「シリコンフォトニクス」という用語は、実際には材料ではなく技術を指します。これは、高密度フォトニック集積回路 (PIC) と相補型金属酸化膜半導体(CMOS) エレクトロニクス製造を組み合わせたものです。最も技術的に成熟し、商業的に使用されているプラットフォームは、シリコンオンインシュレータ (SOI) です。

その他のプラットフォームには以下が含まれます:

ニオブ酸リチウム(LiNbO3)は、低損失モードに最適な変調器です。屈折率が低く、透過ウィンドウが広いため、ファイバーの入力と出力のマッチングに非常に効果的です。より複雑な PIC の場合、ニオブ酸リチウムは大きな結晶に形成できます。プロジェクト ELENA の一環として、LiNbO3-PIC の生産を促進するためのヨーロッパの取り組みがあります。絶縁体上のニオブ酸リチウム (LNOI) の開発も試みられています。
シリカは軽量でフォームファクタが小さく、平面光波回路 (PLC) などの光通信ネットワークの一般的なコンポーネントです。
ガリウムヒ素(GaAS)は高い電子移動度を持ちます。つまり、GaAS トランジスタは高速で動作し、高速レーザーや変調器に最適なアナログ集積回路ドライバとなります。

ハイブリッドまたは異種統合で異なるチップタイプ (既存の電子チップを含む) を組み合わせて構成することで、それぞれの長所を活用できます。この補完的な統合アプローチを採用することで、ますます高度化するエネルギー効率の高いソリューションの需要に対応できます。

現在の状況

2010年現在、フォトニック統合は米国防衛契約で活発なトピックとなっている。^[18]^[19]これは、光インターネットワーキングフォーラムによって100ギガヘルツ光ネットワーク標準に組み入れられた。^[20] 最近の研究では、従来のかさばる構造に比べてサイズが小さく、効率が向上した、電気反射変調器用の新しい2次元フォトニック結晶設計が提示されている。この設計は、正確な角度制御で高い光透過率を実現し、 PICの性能向上のために光電子デバイスを小型化するという重要な課題に対処している。この構造では、横方向と垂直方向の両方の製造技術が組み合わされており、2 次元設計^[21]と3次元構造を融合した新しいアプローチが導入されている。このハイブリッド技術は、フォトニック集積回路内のフォトニックコンポーネントの機能と統合を強化するための新しい可能性を提供している。^[22]

参照

注記

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