シリコンフォトニクス技術と応用の動向 2022

シリコンフォトニクスは、2030年の市場が13億ドルになると見積もられ、商業化の成長が期待されています。現在はデータセンタを中心に使われ始めている、シリコンフォトニクスによる光電変換チップ は、より処理能力が高く低消費電力のデータ転送への扉を開くことになります。シリコンフォトニクスは、 世界中で増え続ける帯域幅のニーズに対応することが期待されています。

シリコンフォトニクスは、様々な機能的光学部品を製造するための最も現実的な技術プラットフォームの一つとして浮上してきました。

シリコンフォトニクスは、データ通信やテレコム、HPC(High performance Computing)だけではなく、光検出と測距（LIDAR）、ジャイロスコープ、バイオセンサ、分光計などのセンサや、さまざまな アプリケーションを支援しています。例えば、ウエアラブルデバイスに於ける多波長非侵襲グルコース計測などに応用され、数年内にも実用化の可能性が指摘されています。

本書では、シリコンフォトニクスの様々なアプリケーションにおけるシリコンフォトニクスの実用化に向けた主な開発動向を、具体的な例を挙げて示しています。データセンタにおけるトランシーバに関しては主な特許を挙げて進捗状況を説明しています。また、その他のアプリケーションに関しては、主なシリコンフォトニクスの要素技術の解説と主要企業の動向を示しました。

大規模な実用化は2030 年より先になると思われるアプリケーションもありますが、様々に応用が広がるシリコンフォトニクスの実用化のための検討は遅れないようにしなければなりません。そのための全体像の把握に役立つように編集しています。

目次

1. エグゼクティブサマリ

2. シリコンフォトニクス概要

• 2.1. シリコンフォトニクスとは
  • 2.1.1. シリコンフォトニクスプラットフォームの開発 [1]
  • 2.1.2. シリコンフォトニクスファウンドリのサービス [1]
• 2.2. シリコンフォトニクスの論文発表推移
• 2.3. シリコンフォトニクスの応用[3]
  • 2.3.1. センシング応用
• 2.4. 光信号伝送の例
• 2.5. Reference

3. 日米欧のシリコンフォトニクス研究開発プロジェクト

• 3.1. 日米欧のシリコンフォトニクス研究開発プロジェクト概要
• 3.2. 日本の開発プロジェクト：
  • 3.2.1. PETRA プロジェクト 実施体制
  • 3.2.2. PETRA プロジェクトの進展と成果
  • 3.2.3. PETRA 関連特許
    • 3.2.3.1. PETRA 出願特許-1
    • 3.2.3.2. PETRA 出願特許-2
    • 3.2.3.3. PETRA 出願特許-3
• 3.3. PETRA 関連の量子ドットレーザ
  • 3.3.1. QD レーザ概要
  • 3.3.2. QD レーザ関連特許
• 3.4. 米国の開発状況
  • 3.4.1. PIPES Project
  • 3.4.2. 主要特許
    • 3.4.2.1. AYAR LABｓの出願特許
      • 3.4.2.1.1. AYAR LABｓの出願特許-1
      • 3.4.2.1.2. AYAR Labs 特許2
      • 3.4.2.1.3. AYAR Labs 特許3
      • 3.4.2.1.4. AYAR Labs 特許4
    • 3.4.2.2. Intel の主要特許
      • 3.4.2.2.1. Intel 特許 -1
      • 3.4.2.2.2. Intel 特許-2
      • 3.4.2.2.3. Intel 特許-3
      • 3.4.2.2.4. Intel 特許-4
      • 3.4.2.2.5. Intel 特許-5
    • 3.4.2.3. Cisco の主要特許
      • 3.4.2.3.1. Cisco 特許-1
      • 3.4.2.3.2. Cisco 特許-2
      • 3.4.2.3.3. Cisco 特許-3
      • 3.4.2.3.4. Cisco 特許-4
• 3.5. 欧州の主要特許
  • 3.5.1. 欧州の開発動向
    • 3.5.2. 欧州主要特許
      • 3.5.2.1. IMEC 特許
        • 3.5.2.1.1. IMEC 特許－1
        • 3.5.2.1.2. IMEC 特許－2
        • 3.5.2.1.3. IMEC 特許－3

4. 広帯域伝送への挑戦

• 4.1. シリコンフォトニクスチップの世代進化
• 4.2. 主要各社の開発動向
  • 4.2.1. Ayar Labs 次世代シリコンフォトニクスチップセット
  • 4.2.2. UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）
  • 4.2.3. Intel シリコンフォトニクスモジュール

5. Optical Computer、AI Computer

• 5.1. Computer 進化の全体像
• 5.2. 光コンピュータ開発関連企業、研究機関、大学等
• 5.3. Electronics-Photonics Hybrid Computer
  • 5.3.1. Optalysys
  • 5.3.2. LIGHTMATTER
  • 5.3.3. Qpisemi AI 2.0 プロセッサ

6. オールフォトニックネットワーク、CPU,FPGA, LiDAR への挑戦

• 6.1. NTT IOWN 構想[1]
  • 6.1.1. 大容量光伝送システム・デバイス技術
  • 6.1.2. 光電融合技術
  • 6.1.3. 光イジングマシンLASOLVR
• 6.2. 論理素子によるCPU,FPGA への挑戦
  • 6.2.1. Ψ（プサイ）ゲート論理素子
  • 6.2.2. ”ePIXfab” [2]による共同研究施設での研究成果
• 6.3. LiDAR への挑戦
  • 6.3.1. シリコンフォトニクスによるLidar システム概要
  • 6.3.2. Aeva 4D Lidar[3]
• 6.4. Reference

7. 生体センサへの応用

• 7.1. シリコンフォトニクスの生体センサ応用に於けるメリット
• 7.2. 赤外光ガイド波ナノフォトニックセンサ・デバイスの進展[1]
• 7.3. 赤外ガイド波ナノフォトニック生化学センシングの基礎
  • 7.3.1. PIC ベースのセンサ
    • 7.3.1.1. PIC ベースセンサの動作原理
    • 7.3.1.2. 代表的なPIC ベースの光学センサ
    • 7.3.1.3. MZI 干渉計[2]
    • 7.3.1.4. リング共振器トランスデューサ[2]
    • 7.3.1.5. Photonic Crystal-Based Sensors （PhC）[2]
    • 7.3.1.6. 完全なモノリシックフォトチップ[2]
  • 7.3.2. シリコンフォトニクススマートセンサの例
    • 7.3.2.1. Rockley Photonics
    • 7.3.2.2. IMEC
  • 7.3.3. Reference

8. その他応用[1]

• 8.1. Gyroscope
• 8.2. 5G 高速通信技術
  • 8.2.1. Reference

9. 市場規模の予測

• 9.1. 市場予測の範囲と概要
  • 9.1.1. データセンタ/通信向けトランシーバ等
  • 9.1.2. バイオセンサ
  • 9.1.3. HPC
  • 9.1.4. LiDAR
  • 9.1.5. その他

図表

• 図 1 フォトニック集積回路プラットフォームの代表的なライブラリ構成要素：生成、配線、処理、検出、変調[1]
• 図 2 オープンアクセスで製造サービスを提供するシリコンフォトニクスファウンダリ[1]
• 図 3 AMF の標準的なMPW フローの断面図 [1]
• 図 4 UCSB: “Silicon Photonics Integrated Circuits”講演資料 Page3
• 図 5 シリコンフォトニクスotonics Applications
• 図 6 銅と光配線の信号帯域と伝送距離：台湾TSMC 社講演資料より
• 図 7 理化学研究所“富岳”のシステム構成
• 図 8 CMOS-Logic 回路線幅の動向：IMEC VZW 社講演資料
• 図 9 日米欧のシリコンフォトニクス開発プロジェクト
• 図 10 PETRA プロジェクトの研究体制：第三期(2022 年4 月以降)
• 図 11 PETRA：光配線の進展と本プロジェクトの成果
• 図 12 PETRA：光I/O コアの開発
• 図 13 PETRA：デバイス技術の最終成果
• 図 14 PETRA プロジェクト第2 期の最終成果
• 図 15 PETRA 特許1：特許6420585 号 シリコンフォトニクス変調器の電極構造
• 図 16 PETRA の特許－1：特許6420585 号の解説図（1）
• 図 17 PETRA の特許－1：特許6420585 号の解説図（2）
• 図 18 PETRA の特許（2）：特許6696735 号
• 図 19 PETRA の出願特許－2：解説図（1）
• 図 20 PETRA の出願特許－2：解説図（2）
• 図 21 PETRA の出願特許－3：集積レーザ光源、及びこれを用いた光トランシーバ
• 図 22 PETRA 出願特許-3 解説図（1）
• 図 23 PETRA 出願特許－3：解説図（2）
• 図 24 QD レーザのコアテクノロジ（同社決算資料より引用）
• 図 25 QD レーザの競合優位性説明資料
• 図 26 量子ドットレーザ特許（1）：ＮＥＣ特許3246444
• 図 27 量子ドットレーザ：特許（1） 図1
• 図 28 量子ドットレーザ特許（1）：図4，図8
• 図 29 富士通・NEC 共同出願のシリコンフォトニクス特許
• 図 30 量子ドットレーザ解説図（2） 富士通・NEC 共同出願特許
• 図 31 AYAR Labs 特許1
• 図 32 AYAR LABS.特許-(2)
• 図 33 AYAR LABS. 特許-(3)
• 図 34 Ayar Lab 特許-(4)
• 図 35 Intel 特許-(1)
• 図 36 Intel 特許-(2)
• 図 37 Intel 特許-(3)
• 図 38 Intel 特許-(4)
• 図 39 Intel 特許-(5)
• 図 40 Cisco 特許-(1)
• 図 41 Cisco 特許-(2)
• 図 42 Cisco 特許-(3)
• 図 43 Cisco 特許-(4)
• 図 44 Overview of 49 candidate European Partnerships
• 図 45 Photonics21 Work Groups
• 図 46 IMEC VZW 特許-(1)
• 図 47 IMEC VZW 特許－（2）
• 図 48 IMEC VZW 特許-(3)
• 図 49 Number of Components/PIC
• 図 50 シリコンフォトニクスチップの世代進化
• 図 51 Ayar Labs によるTeraPHY Optical chipset 接続例
• 図 52 Ayar Labs: TeraPHYTM による波長多重化伝送イメージ
• 図 53 光源と光I/O チップレットを切り離すTeraPHY
• 図 54 UCIeTM によるチップレット間接続規格
• 図 55 Ayar Labs: TeraPHY, SuperNova の接続イメージ
• 図 56 Intel の8 波長発信レーザモジュール
• 図 57 Ethernet Switch Evolution
• 図 58 光コンピュータ実現への道のりと展望1
• 図 59 光コンピュータ実現への道のりと展望2
• 図 60 NEDO によるAI ハードウェア市場の分析
• 図 61 光コンピュータ関連 協力・アライアンス
• 図 62 OPTALYSYS ETILE
• 図 63 Lightmatter Envise & Passage
• 図 64 Lightmatter: Matrix processing with nanophotonics
• 図 65 Qpisemi AI 2.0 プロセッサ
• 図 66 NTT IOWN 構想
• 図 67 NTT による光導波路によるAND 演算素子
• 図 68 ePIXfab による現状のシリコンフォトニクスプラットフォーム
• 図 69 ePIXfab のテーマ別構成企業一覧
• 図 70 Aeva 4D LiDAR
• 図 71 電気化学・QCM・フォトニクス方式のメリットデメリット
• 図 72 代表的なオンチップ導波ナノフォトニックセンシングシステム
• 図 73 ナノフォトニック生化学センサ
• 図 74 一般的なPIC ベースセンサ
• 図 75 Interferometric PI sensors
• 図 76 リング共振器センサの概略図
• 図 77 2D-PhC 導波路
• 図 78 Rockley Patent
• 図 79 Rockley による非侵襲型血糖値センサ
• 図 80 IMEC：US11298057 での血液成分分析の詳細
• 図 81 2030 年シリコンフォトニクス市場予測
• 図 82 シリコンフォトニクストランシーバ市場シェア推移
• 表 1 インテルの歴代CPU 回路線幅
• 表 2 フォトダイオード材料の感度波長帯域
• 表 3 CISCO 特許US10456161B1 の空気シリンダ実効屈折率
• 表 4 Ayar Labs: TeraPHYTM によるデータレートと帯域