テクノロジー革新！340倍の感度を誇る超小型光回路モニタの開発

近年、生成AIの普及が進む中で、AIデータセンターでは膨大なデータ処理が求められています。これに伴い、大規模な光通信回路の安定した動作と省電力化が急務となっています。この流れの中、早稲田大学理工学術院の北智洋教授の研究グループは、従来の340倍の感度を誇る超小型光回路モニタを開発しました。この技術は、AIデータセンターだけでなく、LiDAR（レーザー距離測定器）などの光センシング分野にも応用が期待されています。

開発の背景

シリコンフォトニクス技術を用いた光集積回路は、データ通信の効率化や高精度な計測を実現するための基盤技術ですが、これまでは温度変化や製造過程に起因するばらつきが通信性能に悪影響を与えることがありました。そのため、回路内の光の強度や共振状態を精密に監視することが求められていました。従来の光検出器は、光を吸収して電流を生成するため、回路内の光を減衰させるという課題がありました。これに対して、新たに開発された光回路モニタは、光の減衰をほとんどなくしたまま高感度で検出することに成功しました。

技術の詳細

光モニタは、シリコン導波路内でのマルチモード干渉に基づく新しい設計によって機能します。研究チームは、赤外光に対してシリコンの特性を活かし、電極間距離を短くすることで、光の伝搬を乱すことなく、光電流を大幅に増幅しました。開発したデバイスはわずか4.7マイクロメートルのサイズで、挿入損失は0.03デシベルという低損失を実現しています。この性能は、シリコン-PIN型検出器と比較して、約340倍の検出感度を示すものであり、光吸収を増やすことなく生成された電荷を増幅することで高感度化を実現しています。

研究の波及効果

本モニタの開発により、AIデータセンターにおける大規模光通信の性能向上が期待されます。生成AIの利用拡大に伴い、データセンターでは低消費電力での大量データ伝送が求められています。本モニタは、低損失で多数のデバイスを配置できるため、次世代データセンター間の光通信技術の発展に寄与する可能性があります。
また、LiDAR向けの光集積回路にも適応が可能で、これによりセンシング精度が向上し、デバイスの小型化も促進されるでしょう。さらには、シリコンのみのシンプルな構造であるため、製造プロセスとの互換性も高く、量産性においても優位性を持ちます。

将来の展望

今後、研究グループは本モニタを多数集積した大規模シリコンフォトニクス光集積回路の制御技術の確立を目指します。特にデータセンター間の光通信向けに、多波長光トランシーバへの応用を進め、回路内部の光強度や共振状態をリアルタイムで監視し、自律的に最適化する技術の実現を目指します。また、LiDAR用光集積回路への展開や超高速変調器への応用も視野に入れており、本技術の進展が期待されます。